双涡轮灯泡贯流式水轮机三维 定常流动解析

基于三维N-S方程及标准紊流模型,对双涡轮灯泡贯流式水轮机进行了全三维定常流数值模拟,获得了流场的速度、欧拉能量及压力分布等变化规律。结果表明,CFD分析能较准确地预测双涡轮贯流式水轮机内部流场的结构, 其数值模拟结果可以作为双涡轮贯流式水轮机优化设计及运用的依据。     

轮毂比对灯泡贯流式水轮机性能影响研究

为了深入细致研究轮毂比对灯泡贯流式水轮机水力性能和结构强度的影响,基于ANSYS CFX软件分别对五种轮毂比三种协联工况下的水轮机模型进行数值模拟计算,对定常及非定常的计算结果进行分析,确定该水轮机的最佳轮毂比,并基于ANSYS Workbench平台对固体域进行单向流固耦合计算,对轮毂比优化前后的水力性能及转轮部分结构静应力进行对比分析。结果表明:由原始轮毂比0.35缩小至最优轮毂比0.31后,流道过流面积增大,过流量增加,机组运行效率及出力得到提高;叶片背面压差减小,流速更均匀;流道内压力脉动最大幅值由6.60%降低至0.46%;转轮部分位移变形和静应力分布规律基本一致,最大位移和最大静应力值小幅度增大,均仍满足结构强度要求。研究结果为解决该型式水轮机出力不足的问题提供参考,对水轮机的优化设计和制造具有指导意义。     

双级贯流式水轮机导叶和转轮的水力设计

针对一种新型双级贯流式水轮机,推导了一级导叶、一级转轮、二级导叶和二级转轮的参数设计公式。利用数值模拟商业软件Fluent分析了水轮机在设计工况下的数值性能。数值计算时控制方程采用雷诺时均N-S离散方程,湍流模型选择标准k-ε模型,得到了水轮机的流线图、导叶和转轮叶片的压力面和吸力面的压力分布图,以及中心对称面x=0.083 5的速度矢量图,数值计算结果证明了水轮机设计的正确性。     

贯流式水轮机导叶水力矩计算

采用k-ε模型对贯流式水轮机导叶绕流做整体数值分析。为更好的控制来流,计算域进口采用速度边界条件;同时对导叶壁面进行了边界层细化。在数值分析基础上计算了不同开度、不同位置的贯流式水轮机导叶水力矩值。计算结果与试验结果对比分析表明：不同位置导叶水力矩计算结果与模型试验结果均有着较好的对应关系,导叶水力矩计算最大值与桨叶大转角工况水力矩试验值接近。说明应用本文方法求解导叶水力矩是合理、有效的。计算所得到的水力矩结果可以作为贯流式水轮机原型机设计的指导数据。最后计算了非同步工况导叶水力矩,获得了非同步导叶水力矩最大值与同步导叶水力矩最大值的一般数量关系。     

超低水头竖井贯流式水轮机三维湍流数值模拟

针对竖井贯流式水轮机导叶叶片数对其性能的影响,结合淮安市古黄河水利枢纽工程水轮机模型试验,在一定导叶开度下,对不同导叶数的竖井贯流式水轮机进行了基于CFD的数值模拟,并获得了设计点工况下配置不同导叶数量时水轮机的水力性能。将不同方案在水头损失以及流道和转轮效率上进行了对比。结果表明：随着导叶数的增加,流道效率和转轮效率逐渐提高,水头损失随之减小。通过分析贯流式水轮机内流场并结合外特性计算结果,最终确定了最佳导叶数方案;数值模拟得到的效率与试验数据的平均误差相当小,证明了数值模拟的准确性。该方法可以为超低水头竖井贯流式水轮机设计及其水力性能优化提供参考。     

贯流式水轮机导叶水力矩计算

目前导叶水力矩的研究仍延用水轮机模型试验的方法，研究手段滞后。采用速度进口控制来流条件，对边界层细化的贯流式水轮机导叶作了整体数值分析，计算不同转角工况、不同位置的导叶水力矩值。计算结果与试验结果的对比分析表明，所采用的贯流式水轮机导叶水力矩计算方法是合理、有效的。同时对非同步工况导叶水力矩作了初步分析， 获得了非同步导叶水力矩最大值与同步导叶水力矩最大值的基本关系。     

贯流式水轮机几个设计问题的分析探讨

从方便于安装、运行及检修的角度,对灯泡贯流式水轮机的一些设计问题,如"主轴与转轮体连接"、"导水机构与过速保护"、"主轴的工作密封方式"、"水轮机进人孔位置"及"机组埋入部分的防渗水胶皮"等问题进行了分析探讨。     

贯流式水轮机几个设计问题的分析探讨

从便于安装、运行及检修的角度,分析探讨了灯泡贯流式水轮机的一些设计问题,对“主轴与转轮体连接”、“导水机构与过速保护”、“主轴的工作密封方式”、“水轮机进人孔位置”及“机组埋入部分的防渗水胶皮”等设计问题,提出了一些探讨性意见。     

水轮机内部湍流计算方法研究

概述了水轮机内部流动计算近几十年的发展历史与研究现状,介绍了水轮机内部三维流动计算的控制方程及其解法以及常用商业软件,总结了湍流的数值计算方法,重点讨论了湍流模型理论,并指出水轮机内部湍流计算正朝着全三维、小尺度、瞬时化处理发展。     

轴伸贯流式水轮机水力模型系列研究

通过对轴伸贯流式水轮机模型的系列研究，包括对轴伸贯流式水轮机模型的流道型线、活动导叶和转轮等的设计以及模型试验，开发了适用于最高水头为6，12，20m三个水头段的包括导叶桨叶双调式和导叶固定桨叶可调式的轴伸贯流式水轮机的各种水力模型．试验研究成果基本覆盖了轴伸贯流式水轮机的使用范围，性能指标达到国内领先水平，为我国轴伸机组的选型提供了充足的技术保障．     

后置灯泡贯流泵压力脉动特性数值模拟

为研究不同工况下某南水北调泵站后置灯泡贯流泵叶轮导叶压力脉动规律,通过计算流体动力学（computational fluid dynamics,CFD)对偏流量、偏水位工况叶轮导叶区压力脉动进行计算与分析,结果表明：叶轮导叶区压力脉动时域图周期性明显,叶轮叶片个数对压力脉动主次频有一定影响,叶轮导叶区主次频均为整倍数叶频,叶轮导叶区压力脉动幅值整体从轮缘到轮毂呈减小趋势,叶轮区的压力脉动幅值明显大于导叶区。非设计水位工况下叶轮导叶区压力脉动幅值略大于设计工况,主次频未发生明显变化;非设计流量工况中小流量工况与大流量工况压力脉动幅值均大于设计工况,各个监测点的小流量工况压力脉动幅值为设计工况的2~3倍,且在此工况下低频脉动明显。可见非设计工况运行对机组压力脉动幅值的影响较大,长期在非设计工况下运行严重影响机组运行效率,泵站运行应尽量避免非设计工况运行的情况。研究结论可为泵站日常运维和研究异常水力振动提参考。     

灯泡贯流式水轮机CFD解析及转轮技改

以广西桂平航运枢纽水电站水轮机转轮技改为例,从转轮的水力设计、结构设计等方面,阐述灯泡贯流式水轮机CFD解析、优化及转轮改造技术,总结东芝水电在机组改造方面的成功经验。     

运西水电站竖井贯流式水轮机性能优化

采用雷诺时均方程(RANS),选择S-A湍流模型,运用SIMPLEC算法,利用CFD数值模拟技术,数值模拟了不同方案的运西水电站水轮机流道内流场,分析了转轮直径、叶片翼型、叶片个数、叶片安放角、转轮轮毂、转轮转速、导叶翼型、导叶轴线与机组中心线夹角、导叶个数、叶片及导叶安装位置、导叶开度对水轮机性能的影响,叶片数为3时水轮机装置性能较优,机组最高效率点分别在转速为187.5r/min、导叶个数为15时出现。对原有流道可改变部件做适当优化后,将优化后的转轮应用于电站进行数值计算,根据全流道的数值模拟结果,预测电站改造后机组的水力性能。根据数值计算的结果制作模型水轮机和真机进行模型试验和真机测试。结果表明,数值模拟结果与模型实验以及现场运行结果曲线的变化趋势一致,数值模拟结果基本能够准确反映电站的外特性和内部流场特征。     

混流式水轮机轴向水推力研究综述和讨论

混流式水轮机稳定性的好坏直接关系到机组能否正常运行,其影响因素主要可分为水力稳定性和非水力稳定性,而前者是研究的热点问题。作为水力稳定性影响因素之一的轴向水推力是水流作用在转轮轴向上的力,通过推力轴承传递到厂房承重机架基础上,会影响轴承和厂房的安全运行。本文归纳分析了已建成水电站中由于轴向水推力异常导致的主要事故案例,从理论公式、试验测量和数值计算3个方面总结了轴向水推力计算的研究进展;系统讨论了多种水力激振力作用下轴向水推力的脉动特性,有利于提高对厂房的结构振动特性的认识;综合对比了减轻轴向水推力的各种措施及其特点,强调了对推力轴承的运行状态进行分析的重要性;最后展望了轴向水推力研究的发展趋势。本文可为继续深入研究涉及轴向水推力的相关工程设计、安全运行等问题提供参考。     

混流式水轮机内部空化流动数值模拟

为探究不同比例的长短叶片对混流式水轮机内部流场空化特性的影响,基于欧拉-欧拉方法中均匀多相流假设的混合两相流体无滑移模型,采用RNG k~ε湍流模型以及三维时均N-S方程,对各混流式水轮机进行全流道三维定常空化湍流计算,获得了3种不同比例长短叶片对应的混流式水轮机在各空化系数下空泡相的流动特征以及各水轮机对应的σ~η曲线图。计算结果表明,当长短叶片比例为0.47时,水轮机临界空化系数最小,为0.060 8,相比长短叶片比例为0.6时降低了8.82%;当3种水轮机处于同一空化系数下时,该型水轮机效率最高;随着水轮机转轮短叶片的增多,水轮机的空化性能及能量性能得到了明显的提升。研究结果对长短叶片混流式水轮机的设计、优化和改型等具有一定的指导意义。     

低比转速高效贯流泵模型优化设计与试验研究

为深入研究后置灯泡贯流泵装置的性能,采用CFD数值模拟技术,对贯流泵叶轮和导叶体进行了优化设计,对叶片翼型、个数、厚度,导叶片的数量,距转轮出口距离对水泵性能的影响等进行了分析,且在分析过程中突破了传统贯流泵的运行范围,从而得到了低比转速高效贯流泵的水力模型。该模型的设计流量为0. 344 m~3/s,扬程为8. 22 m,比转速为630,装置效率最高为83. 45%。对得到的水力模型进行了模型试验验证,验证结果表明,数值模拟和模型试验性能曲线的变化规律一致,两者结果较为吻合。研究成果可为今后低比转速高扬程贯流式泵站工程的规划设计提供选型参考。     

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.     

导叶相对距离对S形轴伸式贯流泵压力脉动特性的影响

为了分析不同导叶相对距离对S形轴伸式贯流泵装置压力脉动特性的影响,采用ANSYS CFX软件对4种不同导叶相对距离的泵装置进行了三维定常与非定常计算,并通过模型试验验证数值模拟计算的可靠性。结果表明:泵装置扬程与效率随导叶相对距离的增大先增加后减小,导叶相对距离对扬程的影响趋势更明显;导叶相对距离对监测点主频频率没有影响而对幅值影响较大;当导叶相对距离增大时,在导叶进口处,主频幅值逐渐减小,断面高压力脉动强度面积逐渐减小,近轮缘侧压力脉动强度变化比近轮毂侧更明显;在导叶出口处,各频幅值先减小后增大,断面高压力脉动强度面积先减小后增大;导叶相对距离为16 mm时,泵装置综合性能最优。     

高水头混流式水轮机内部固液两相流数值分析

针对泥沙直径对混流式水轮机蜗壳和导水机构内部流场产生影响的问题进行了初步研究,采用固液两相流模型对某电站的高水头混流式水轮机进行了全流道数值模拟,通过单一变量法来研究不同来流泥沙的直径对蜗壳和导水机构内部压力及泥沙分布产生的影响。研究结果表明:与清水相比,含沙水流会不同程度地使蜗壳和导水机构内部的水压力载荷增加,在相同工况下,蜗壳底部、蜗壳鼻端、固定导叶和活动导叶头部的泥沙浓度较大;小直径下泥沙分布均匀,随着泥沙直径的增加,泥沙浓度的梯度变大,泥沙分布更加集中,从而会使磨损加剧。该研究成果可为在含沙水流中运行的水轮机设计提供参考。