含沙河流中混流式水轮机转轮优化设计的研究及其软件包的开发

通过对水轮机泥沙磨损机理和磨损条件的分析,提出了改善水轮机磨损条件的措施,在二元理论基础上,对含沙河流中混流式转轮叶片设计方法进行了研究.采用稳定可靠的数值计算方法,进行了转轮流场计算、叶片数值积分、叶片加厚等工作.对初步设计的转轮进行了效率和磨损预测.开发了一套实用的含沙河流中混流式转轮叶片水力设计计算机辅助设计系统,并给出了一个运用该软件的设计实例.     

含沙河流中混流式水轮机转轮优化设计的研究及其软件包的开发

通过对水轮机泥沙磨损机理和磨损条件的分析 ,提出了改善水轮机磨损条件的措施 ,在二元理论基础上 ,对含沙河流中混流式转轮叶片设计方法进行了研究。采用稳定可靠的数值计算方法 ,进行了转轮流场计算、叶片数值积分、叶片加厚等工作。对初步设计的转轮进行了效率和磨损预测。开发了一套实用的含沙河流中混流式转轮叶片水力设计计算机辅助设计系统 ,并给出了一个运用该软件的设计实例。     

水轮机转轮内部泥沙浓度的数值分析

采用ANSYS CFX 14.0软件对某电站混流式水轮机转轮内部固液两相流动进行了数值模拟,着重分析了转轮内部泥沙浓度分布。研究结果表明,在叶片表面上不同的位置,泥沙浓度分布是不同的,浓度较高的地方位于叶片进水边靠近上冠和下环处、下环内表面和叶片出水边靠近下环内表面处。对含沙河流中水轮机转轮叶片遭受严重磨蚀破坏情况的分析和水轮机的耐磨设计具有重要的指导作用。     

高水头混流式水轮机沙水流动数值模拟及转轮泥沙磨损实验研究

运用N-S方程和标准k-ε湍流模型,对高水头混流式水轮机内部沙水流动进行了全流道数值模拟。根据数值模拟结果和相似定理设计水轮机转轮叶片的单流道泥沙磨损实验装置,进行了转轮叶片泥沙磨损实验,获得了水轮机转轮叶片泥沙磨损的主要发生位置和磨损程度,并根据数值模拟和实验研究结果拟合出了水轮机转轮叶片的磨损率公式。结果表明:水轮机转轮叶片的进水边和出水口位置的磨损程度相对于其他位置更为严重,尤其是叶片背面。该研究对多泥沙河流水轮机转轮叶片的泥沙磨损评估以及维修具有指导意义。     

混流式水轮机改造前后转轮内固液两相流数值分析

为了探究混流式水轮机改造前后转轮泥沙磨损情况,采用固液两相流模型对某电站改造前后的混流式水轮机进行全流道数值模拟,分析不同工况下转轮叶片表面泥沙分布,转轮叶片表面固液两相速度差,以及水轮机效率。结果表明:小流量工况下泥沙磨损最严重;水轮机改造后,叶片表面泥沙体积分数下降,固液两相速度差减少,泥沙磨损减弱,水轮机效率较改造前提升了5.5%。该研究可为水轮机改造提供一定的参考。     

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。     

混流式水轮机叶片强度计算及其应力特性改善

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。本文以一混流式水轮机为研究对象，通过混流式水轮机全流道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；其次通过在叶片出水边和上冠连接处加应力释放三角块来降低叶片最大有效应力值和改善叶片应力分布。结果表明应力释放三角块可以明显降低叶片最大有效应力和改善叶片应力分布。本文计算结果可为其它水轮机转轮的转轮疲劳裂纹分析及应力特性改善提供参考。     

稳态流固耦合分析转轮叶片变形对转化效率的影响

转轮是水轮机能量转化的核心部件,其转化效率的多少不仅与转轮叶片设计的优良情况有关,动水与转轮叶片之间流固耦合作用也是影响转轮转化能量效率的因素。采用稳态双向流固耦合分析方法,对混流式水轮机转轮性能进行分析。结果表明,混流式水轮机转轮的叶片在与动水相互作用中的变形较小,对转轮流域流场影响很小,对转轮转化效率的影响也很小。因此,在利用数值方法进行混流式转轮能量性能研究时,推荐采用简单的、仅计算流场的数值方法,可提高计算效率。     

混流式水轮机转轮强度的样条有限元求解

采用样条有限元的计算方法对混流式水轮机转轮的强度计算求解作了有益的尝试。计算中首先划分了转轮叶片计算网格， 然后用样条有限元按计算网格对叶片的应力和变形进行计算， 并与文献 ［３］ 的计算结果进行了分析比较。通过实例计算与比较表明， 采用的方法更简明， 计算效率、精度较高， 计算结果也更为合理， 可用于实际工程。这种方法为混流式水轮机转轮强度计算的求解探索了一条新途径。     

混流式转轮优化模型与改型研究

结合作者对水轮机转轮设计方法的研究和对已建电站水轮机转轮增容改造的实践，对混流式水机转轮的传统设计方法和作者提出的设计模型进行了深入的对比研究，结果表明：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设计模型与实际流动更为接近。设计和实际运行均表明：该模型设计舞场库仑 能够满足设计都给定的设计参数，提高了转轮设计的可靠度，是转轮水力设计的一种理想模型。与最优化方法相结合是可以改     

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。     

混流式水轮机转轮S1流面上叶片设计的准三元方法

基于两类流面理论，本文建立了混流式转轮内部流动的准三元计算与叶片设计的通用模型。以Ｖ↑－θｒ及厚度分布为已知条件，建立了Ｓ１流面上的叶片设计模型。计算实例表明，按本文模型进行设计，可以得到满足给定负荷分布及厚度分布的转轮，为转轮设计提供了一种新的有效的计算模型和方法。     

基于MATLAB-UG的混流式水轮机叶片三维建模

针对冷却塔专用混流式水轮机流道狭长、叶片空间几何形状复杂,三维建模难度较大的问题,结合某冷却塔专用超低比转速水轮机设计工程案例,以转轮二元设计理论(ωu=0)为基础,利用MATLAB软件计算出转轮叶片的骨线,并对翼型骨线进行展开加厚,最后借助于UG软件的三维建模功能,生成光滑的三维叶片模型。结果表明,采用该方法进行转轮叶片的三维建模,所生成的叶片光顺、无褶皱,能够精确地反映出叶片的空间流性,提高了转轮叶片的生成效率和精度,可为后续开展水轮机的CFD分析和性能优化提供有力的支撑。     

混流式水轮机压力脉动特性研究

为探究不同长短叶片比例对混流式水轮机压力脉动特性的影响,基于流场数值模拟的计算方法,对不同长短叶片比例的混流式水轮机进行全流道三维非定常湍流计算。计算结果表明,混流式水轮机内部的压力脉动主要由转轮和导叶的动静干扰以及尾水管的低频压力脉动所致;当短叶片出口离转轮旋转轴最近点处与长叶片直径之比为0.6时,混流式水轮机效率最高,为92.66%,且该混流式水轮机各过流部件对应的压力脉动幅值以及振动幅值也最小,水力稳定性最好。对研究背景、计算方法与步骤,以及计算结果的分析等情况均作了较为详细的介绍。     

水轮机转轮安全评估基础方法研究

混流式水轮机在运行过程中产生大量裂纹,严重危及水电站的安全运行.介绍了水轮机组检修现状,结合混流式水轮机转轮提出了3种转轮安全评估方法并进行了可行性分析.利用声发射技术,可在线监测水轮机转轮叶片裂纹的产生和扩展过程,结合振动技术对水轮机进行安全评估,实现了对水轮机的转轮叶片在线状态监测和故障诊断.     

用代理模型法设计混流式水轮机转轮

根据混流式水轮机转轮叶片的一种新的参数化定义,结合大规模和系统的CFD及FEM模拟,Spetals Verk AS公司正在应用代理模型法设计混流式水轮机转轮.该方法可以同时评估大量的因子,调整代理模型以模拟混流式水轮机转轮的响应.通过代理模型,还可以更多地了解各种转轮外形的一些综合特性,开发出一系列全新设计的混流式转轮通用叶片.对该行业设计技术及方法的发展趋势、代理模型设计法的流程作了简单介绍.     

基于准三维理论的混流式水轮机转轮设计方法的研究

基于S1和S2两类相对流面理论,建立了混流式水轮机转轮内部流动的准三维计算与叶片设计的模型.利用周向平均处理方法,从三维欧拉方程导出子午面上的流函数运动方程,并利用周向平均的1个S2m流面和1组S1流面的迭代计算得到所设计的叶片.采用Galerkin加权余量法,建立了S2m、 S1流面方程的有限元方程,采用松驰法进行迭代计算;得到满足给定负荷分布及厚度分布的转轮,为转轮设计提供了一种新的有效的计算模型和方法.     

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。     

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。     

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。