混流式水轮机叶片疲劳裂纹分析及其改进方案

近年来,国内外一系列大型混流式水轮发电机组频繁发生转轮叶片的疲劳裂纹问题,对电站机组的安全稳定运行构成了严重威胁。本文以混流式水轮机为研究对象,通过全流道CFD计算及基于顺序流固耦合的转轮结构应力场计算,分析该转轮产生疲劳裂纹的原因。随后提出在叶片出水边和上冠连接处加装应力释放三角块的方案,以降低叶片最大有效应力值、改善叶片应力分布。计算结果表明该方案可以明显降低叶片最大有效应力、改善叶片应力分布。计算结果也可为其它水轮机转轮的疲劳裂纹及其应力特性分析提供参考。     

水轮机转轮叶片裂纹成因及对策

根据混流式水轮机结构特点,进行水力、应力分析,说明混流式水轮机转轮叶片裂纹主要是疲劳裂纹,其产生与设计、制造、运行和材料等因素有关;并提出减少裂纹产生的对策应从减少叶片承受的应力和改善材料的性能综合考虑.图1幅,表1个.     

基于流固耦合的混流式水轮机水力激振与疲劳寿命损伤研究

为研究水轮机投入生产后常常产生的裂纹以及疲劳失效问题,构建混流式水轮机HLA551 c-WJ-71几何模型并模拟流固耦合(FSI)中复杂的流体流动,对混流式水轮机额定工况运行过程中动态应力以及叶片形变进行分析,揭示流道内的动态应力与叶片疲劳失效之间的内在关系。结果表明：混流式水轮机额定工况运行时,叶片的最大Von Mises应力为60.2 MPa,远小于材料的极限应力,因此静应力不会导致叶片产生短期裂纹破坏;水轮机额定工况运行时叶片表面和尾水管的动应力最大为10⁷kPa,同样远小于材料的极限应力;叶片上冠处为叶片最高应力区域,且在叶片表面压力变动时,压力的变化幅值也较大,因此认定叶片上冠为叶片的疲劳危险区。研究结果有助于水轮机转轮的优化设计,提高对水轮机瞬态运行及疲劳失效的理解。     

大型混流式水轮机转轮应力研究综述

混流式水轮机转轮的裂纹问题,降低了转轮的使用寿命,给机组运行带来了安全隐患,也是制约大型机组宽域运行的主要因素之一。混流式水轮机在低负荷工况的水力稳定性,决定了其运行的安全稳定范围。而叶片裂纹的产生及发展,与叶片在不同工况下的应力特性密切相关。本文总结了混流式水轮机裂纹出现的不同原因,分析了裂纹处理及预防的不同案例,详细对比了三种转轮应力研究方法的不同,最终对大型混流式水轮机转轮应力的研究前景做了总结和展望。     

高水头混流式水轮机分半式焊接转轮设计及焊接控制

高水头混流式水轮机或水泵水轮机转轮在运行时承受着高频交变载荷,转轮焊缝极易产生裂纹。如何提高转轮的抗疲劳裂纹能力是必须要解决的问题,如采用分半式焊接转轮结构,采用将转轮焊缝从高应力区转移至叶片中部低应力区的技术,降低由于交变载荷引起焊缝的疲劳裂纹出现概率。分半式焊接转轮技术可应用于高水头混流式水轮机组及水泵水轮机,为水轮发电机组的安全稳定运行提供保障。     

基于流固耦合的混流式水轮机转轮强度分析

对我国东北某大型混流式水轮机在设计水头不同工况的转轮强度进行了单向流固耦合计算,采用CFD软件CFX,计算得到各工况流场中叶片表面的水压力,借助ansys workbench平台,将其作为结构面载荷加载到叶片上,得到各工况下转轮的静应力分布及变形情况。研究结果表明:转轮静应力最大值随着流量的升高而增大,且均出现在叶片出水边连接上冠位置附近;转轮最大变形量随着流量的升高而增大,最大变形量出现在下环位置。研究结果为混流式水轮机结构设计及安全运行提供了有效依据。     

长短叶片转轮对低比速混流式机组的性能改善研究

基于计算流体动力学分析理论,对含有常规转轮和长短叶片转轮的混流式水轮机开展全流道数值分析,研究高水头下低比转速混流式水轮机转轮在不同工况下的流动现象,探明转轮加装短叶片对混流式水轮机内部流动状态的影响。在最优工况下,通过对比计算所得的两种转轮内部的流速和压力分布发现:加装短叶片以后转轮叶片吸力面进口附近的涡流得到明显抑制,长叶片的压力负荷得到减弱;增加短叶片后,转轮出口环量减小较为明显,对尾水管流态改善、转轮及机组的能量特性提高有重要作用。研究结果表明,在相同的单位参数下,相比常规叶片转轮,长短叶片转轮改善了转轮进口的入流条件,从而提升了机组的运行稳定性和能量特性,可作为高水头转轮设计的主要方向。     

混流式水轮机转轮裂纹原因分析及预防措施

混流式水轮机转轮运动中出现的裂纹可分为规律性裂纹和非规律裂纹。绝大多数的规律性裂纹是疲劳裂纹，其断口呈贝壳纹，叶片疲劳来源于作用其上的交变载荷，而交变载荷又由转轮的水力激振引发，这可能是由卡门涡列，水力弹性拓动或水压脉动所诱发，非规律性裂纹，有的呈龟裂纹，有的呈脆性性断口，也有的呈疲劳贝壳纹，多半是由材料不良或制造缺陷造成，预防裂纹的措施，应从水力，结构设计，制造和运行等多方面入手。如：优化水力参数，优选材料，进行静强度计算和疲劳分析，避开共振分析，采用成熟的爆接工艺，减小应力集中，优化运行等，对大型混流式水轮机转轮，应实施可靠性工程，切实抓好精心设计，精良制造，合理运行三大环节。     

大型水轮机不稳定流体与结构耦合特性研究Ⅱ：结构动应力与疲劳可靠性分析

水轮机疲劳寿命问题直接关系到电站安全和工程效益的发挥。本文以国内某大型水电站安装的混流式水轮机为研究对象,通过引入新的耦合界面模型,实现了不稳定压力场与结构场的耦合特性分析。耦合计算采用有限元方法,得到了转轮在不同工况下的压力脉动载荷的时间历程。通过雨流计数法处理,获得了应力幅值及均值的概率密度函数。依据材料疲劳特性预测了转轮叶片的寿命。文中还分析了X形叶片转轮在运行稳定性方面所具有的特征。所取得的研究结果为大型水轮机的稳定运行和优化设计提供了依据。     

枫树坝电站水轮机转轮叶片补强三角块设计

介绍了在枫钳坝水轮机转轮叶片出水边上冠侧加补强三角块,有效降低了叶片应力集中水平,进而改善了该水电站长期受叶片裂纹困扰的难题。     

大型混流式水轮机转轮裂纹分析与研究

大型混流式水轮机转轮裂纹已成为水电行业一个频发的问题,严重威胁机组运行安全。以瀑布沟水电站2,4,6号机组为例,从水力设计、转轮刚度、材料选择、制造工艺、焊材选择、应力等方面开展分析,确定了应力集中为裂纹产生的主要原因。总结了转轮裂纹处理和防范措施,包括加强日常检查、加装应力释放三角铁、开展机组AGC方式下的稳定性测试等。其经验对同类电站设备缺陷的分析研究及修复控制提供了方向与思路,具有一定借鉴意义。     

Numerical predictions of pressure pulses in a Francis pump turbine with misaligned guide vanes

Previous experimental and numerical analyses of the pressure pulse characteristics in a Francis turbine are extended here by using the unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes equations with the shear stress transport （SST） turbulence model to model the unsteady flow within the entire flow passage of a large Francis pump turbine with misaligned guide vanes at the rated rotational speed. The S-curve characteristics are analyzed by a combined use of the model test and the steady state simulation with the aligned guide vane firstly. Four misaligned guide vanes with two different openings are chosen to analyze the influence of pressure pulses in the turbine. The characteristics of the dominant unsteady flow frequencies in different parts of the pump turbine for various misaligned guide vane openings are investigated in detail. The predicted hydraulic performance and the pressure fluctuations show that the misaligned guide vanes reduce the relative pressure fluctuation amplitudes in the stationary part of the flow passage, but not the runner blades. The misaligned guide vanes have changed the low frequencies in the entire flow passage with the change of the pulse amplitudes mainly due to changes in the rotor-stator interaction and the low frequency vortex rope flow behavior.     

混流式水轮机转轮双向流固耦合力学特性研究

为了解运行过程中的水轮机叶片应力、应变和流场的分布状况及规律,以某高比转速混流式水轮机为例,采用双向流固耦合算法,对其转轮叶片的应力应变情况和内部流动特性进行了研究和计算分析。研究结果表明,在高转速小流量的工况下,叶片的最大变形出现在出水边的下部,出水边中部也出现了比较大的变形,叶片的进水边、出水边与上冠及出水边与下环的相连接处出现了集中应力;在其他工况下,叶片的最大变形出现在出水边的中部,集中应力出现在叶片出水边与上冠的相连接处。该水轮机在正常运行的情况下,转轮叶片的变形很小,对内部流场的影响不大。因此,如果只是对水轮机进行水力性能方面的分析,则没有必要进行双向流固耦合计算。     

基于熵产理论的水泵水轮机反S区水力损失机理分析

水泵水轮机在水轮机工况运行时易进入反S不稳定区,影响机组的安全稳定运行。传统压差法在计算水力损失时不能获得损失的具体分布和详细来源,因此水泵水轮机在反S区水力损失机理仍有待深入研究。本文采用雷诺时均方法对某原型抽蓄电站水泵水轮机在活动导叶开度分别为12°和35°下的反S区运行工况进行了数值模拟,基于熵产理论对各个过流部件和不同类型的水力损失进行了定量分析,并结合流场分布情况进一步明确了水力损失的分布特点和产生原因。结果表明,水泵水轮机进入反S区会引起导叶段水力损失占总水力损失的比例逐渐增大,而转轮段水力损失逐渐减小。在不同类型的能量损失中,湍流熵产占据主导,壁面熵产次之,直接熵产最小。随着水泵水轮机进入深度反S区,转轮区湍流熵产损失较大区域从转轮进口的叶片压力面转移到转轮出口叶片吸力面。水泵水轮机位于反S区时,转轮对水流做功输入能量,使无叶区总压大幅上升,活动导叶开度增大会显著增大无叶区水流能量幅值。     

不同导叶数对超低比转速水轮机水力性能的影响

为研究固定导叶数对小流量、低比转速的冷却塔专用超低比转速水轮机水力性能的影响,利用CFD技术对不同固定导叶数的超低比转速水轮机进行模拟分析,研究了4种不同导叶数对超低比转速混流式水轮机水力性能的影响。结果表明:水轮机匹配18个固定导叶时,超低比转速水轮机内部流动更加均匀,导叶间压力在圆周方向对称性更好;转轮流线分布更加顺畅,流态更好,尾水管涡量更小;水轮机运行稳定性增强,机组出力和水轮机效率提高。     

混流式水轮机转轮叶片加厚的数值方法

本文介绍了混流式水轮机转轮水力设计中基于数值计算的叶片加厚方法，此方法的特点是利用计算机来解速度快，精度高。     

Design and development of guide vane cascade for a low speed number Francis turbine

Guide vane cascade of a low speed number Francis turbine is developed for the experimental investigations.The test setup is able to produce similar velocity distributions at the runner inlet as that of a reference prototype turbine.Standard analytical methods are used to design the reference turbine.Periodic walls of flow channel between guide vanes are identified as the starting profile for the boundary of the cascade.Two alternative designs with three guide vanes and two guide vanes,without runner,are studied.A new approach,for the hydraulic design and optimization of the cascade test setup layout,is proposed and investigated in details.CFD based optimization methods are used to define the final layout of the test setup.The optimum design is developed as a test setup and experimental validation is done with PIV methods.The optimized design of cascade with one guide vane between two flow channels is found to produce similar flow conditions to that in the runner inlet of a low speed number Francis turbine.     

太平哨水电厂HL240型水轮机转轮改型研究

现代计算机数值模拟技术的不断进步，为水轮机转轮的改型设计创造了条件。HL240型水轮机能量指标低、过流能力差，国内相当一部分中小型水电站是套用此转轮。应用考虑转轮来流有旋、叶片有限厚及转轮叶片力作用的转轮与导叶联合作用的基于S1流面的准三维设计模型，研究出HL240的改进型转轮，并通过相对效率法效率试验对比，鉴定了改型转轮的效率特性。结果表明，水轮机效率特性明显增加，在高负荷区表现尤为明显。