灯泡式水轮机叶片表面空化形态的试验研究

为了研究叶片表面空化形态的演变过程,针对某灯泡式水轮机基于模型试验采集了特征水头下协联工况点的空化试验数据。流态观测与空化试验同步进行,观测整个运行范围内模型转轮叶片和间隙的空化形态并以绘制草图、拍照的形式记录相应的典型空化特性。对于第四种η-σ曲线可以从能量突变点开始确定对应的临界空化系数;叶片表面的空化形态呈现游移型气泡、片状气泡、云状气泡和超空化气泡四种空化形态,可根据叶片表面的空化形态预测可能产生空蚀的位置;间隙空化先于翼型空化出现,理论上分析了间隙空化产生的原因,提高转轮室和叶片外缘的加工精度、采用合理的较大的转轮间隙可以改善间隙空化。     

襟翼高度对混流式水轮机转轮空化特性的影响

空化空蚀作为水轮机运行过程中的常见问题,对水轮机性能以及机组安全稳定运行产生影响。该研究以HLX80-LJ-145混流式水轮机为研究对象,在原始转轮的基础上增加襟翼,利用ANSYS CFX对流量0.6Q_d、0.8Q_d和设计流量Q_d工况点下清水与含沙水的转轮空化现象展开数值分析。结果表明:转轮叶片吸力面靠近转轮出口边出现大面积空化;增加襟翼后转轮进口来流得到分流,水流流态变好,流线顺畅,水流和泥沙流速均减小,空泡体积分数减小,清水介质中流量0.6Q_d工况点减小最为明显,相对减小约16.35%;泥沙对转轮内的破坏减弱,含沙水介质中流量0.6Q_d工况点最大空泡体积分数相对减小约11.34%,空化性能得到改善。     

超低水头两叶片灯泡贯流式水轮机固液两相流研究

超低水头贯流式机组无论在电站增容改造方面,还是在超低水头开发方面,都具有巨大潜力。然而,水流中裹挟的泥沙会对机组运行产生不利影响,在汛期尤为严重,研究泥沙磨损问题对于机组的稳定运行具有重要意义。基于CFX平台,使用k-ε湍流模型,拉格朗日颗粒跟踪模型和Tabakoff and Grant磨损模型对2.1m超低水头下的两叶片灯泡贯流式水轮机进行了固液两相流数值模拟计算。通过实验验证数模计算的可靠性,对比单相及两相流工况下的涡流特性,探究不同泥沙浓度(Cv=1%～10%)、颗粒直径(D=0.1～1mm)对过流部件磨损位置、侵蚀率以及流动特性的影响。结论如下：在清水中加入泥沙颗粒后,泥沙颗粒对旋涡有增强作用;导叶凹面,叶片正面进水侧头部、叶片出水边、叶片轮缘,以及转轮室都是比较容易遭受磨损的部位;随着泥沙颗粒浓度、直径的增加,导叶、叶片及转轮室的磨损面积、磨损程度以及最大磨损率都呈上升趋势;相较于导叶,叶片和转轮室的磨损程度更为严重,在汛期运行时要更加注重磨损防护。     

基于CFD的高水头水泵水轮机空化性能研究

由于高水头水泵水轮机的运行水头(扬程)和流量变幅大,水流流经转轮叶片时流速高,机组运行工况复杂多变,比常规水轮机更易发生空蚀。因此,进行高水头水泵水轮机空化特性的CFD数值模拟分析。首先对水轮机工况的几个工况点进行数值模拟,并与试验结果进行比较,验证了数值模拟的可靠性。其次分别对水轮机工况和水泵工况进行空化流动计算。计算结果表明,水轮机工况的空化主要发生在叶片和尾水管处;水泵工况的空化主要发生在转轮叶片上,吸力面空化比压力面严重。随着进口压力的不断降低,空化程度也越来越严重。     

多泥沙中高水头电站水轮机生产技术措施

针对多泥沙中高水头电站水轮机的特点，从转轮选型、结构改进、转轮材质选用、叶片加工工艺诸方面，论述了提高中高水头机组综合效率和可靠性、改善多泥沙电站水轮机抗空蚀性能的技术措施。     

混流式水轮机转轮低水头低负荷运行时的空蚀

本文通过混流式水轮机转轮的流动分析、模型试验,并结合电站现场空蚀的调查结果,对低水头、低负荷工况运行混流式水轮机转轮的空蚀特性进行了研究。其结果表明低水头、低负荷工况运行混流式水轮机转轮的空蚀轻微。     

丹江口水力发电厂水轮机空蚀研究

分析了由于机组长期在低负荷、低单位转速、低水头、大流量等不良工况运行而造成的水轮机空蚀问题,提出了针对发生空蚀的转轮叶片采取的补焊和修型方法,并对改型前后水轮机叶片空蚀情况进行了对比.     

水力机械表面空蚀程度的图像分析

空化空蚀是水力机械过流部件的常见现象,对水力机械的安全可靠运行产生重要影响.本文采用循环水洞试验研究的方法,结合数字图像处理技术对铝制Raf61翼型表面的不同流动位置的空蚀程度进行微观破坏形貌特征的测量.此前关于图像测量空蚀程度的研究相关报道极少.作者利用扫描电子显微镜获取翼型表面空蚀破坏部位的图像,采用边缘检测、模糊增强等图像技术处理结果表明,在给定的工况下,叶片表面前端的空蚀情况很轻;中部程度严重,破坏大;尾端空蚀缓和,空蚀坑洞平坦;此外用定量的、高精度的值描述空蚀破坏程度.     

直接空冷系统凝结水下降管振动分析与治理

直接空冷系统普遍存在凝结水下降管振动问题,振动严重时危及空冷系统安全运行。基于流固耦合方法建立管道振动模型,采用流致振动和流体空化理论对凝结水管的两相流特性进行分析,对某超超临界660 MW机组凝结水管进行模型解析计算和数值模拟。结果表明：饱和或近饱和的凝结水从空冷平台沿凝结水下降管采用重力自流的方式流到排汽装置热井,在水的势能释放过程中,产生两相流激振和空化的现象,这是产生凝结水振动和空化噪声的原因;在电厂凝结水管道中采用多级文丘里管+多孔孔板的措施消除凝结水势能,并避免产生管道振动和噪声超标,消除了管道振动的隐患。     

水头变幅大的混流式水轮机水力设计

水轮机稳定性问题一直是研究的难点，对水头高、水头变幅大的电站尤其受到关注，且目前已经投入运行的大型水电站都存在不同程度的振动问题，虽然产生的因素很多，但水力问题是重要因素之一。本文结合龙滩水电站水轮机参数优化及稳定性研究项目，通过CFD分析，对模型水轮机的蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮、尾水管进行了全面的优化设计，模型转轮共计算了22个工况点，经过优化的转轮延迟了小负荷区涡带的产生和叶片正背面脱流的产生。通过模型试验验证，龙滩水电站水轮机水力性能研究是成功的，研究成果达到了预期目标，CFD分析结果与模型试验结果基本吻合。     

低水头混流式水轮机蜗壳和尾水管结构变化对流动损失的影响研究

酉酬水电站水轮机组为混流式机组,具有水头低、流量大的特点。受客观条件制约,电站真机蜗壳和尾水管尺寸比按模型换算的真机尺寸值要小一些,在设计阶段需要通过数值模拟分析尺寸改小后对机组水力性能的影响。本文建立了包括蜗壳（含固定导叶）、活动导叶、转轮和尾水管等在内的水轮机整体流道的流动分析物理模型,分别比较了原设计方案（称为方案一）和尺寸改小后方案（称为方案二）各9个工况下的流道内部的水力损失及流动状态。通过对计算结果的比较分析,得出结论：方案二的固定导叶损失在各个工况点大于方案一,在小流量、低水头时损失较小;尾水管损失在低水头时大于方案一,高水头时小于方案一,在高水头、小流量时损失较小。     

水轮机模式液力透平流道式导叶的优化

由于水轮机模式液力透平级间导叶水头损失占比高达40%,需要对液力透平级间导叶进行研究。在可选的级间导叶中,流道式导叶正反导叶连为一体,流道相对独立,是一种水力性能较好的级间导叶。本文基于水力原动机理论,将水流环量概念贯穿液力透平流道设计全过程,设计了与水轮机模式液力透平转轮相匹配的流道式级间导叶,并采用正交试验的优化算法,对水头影响较大的因素,包括导叶包角φ、正导叶出口角 、反导叶宽度 、流道外壁最大直径 ,各取4个水平进行正交试验方案的设计。通过CFD数值计算,分析各个方案的性能,找出了各因素对导叶性能的影响规律,在此基础上获得了效率较高的导叶模型,并研究了水力性能、叶片表面压力分布及叶片内部流动规律。研究表明：各个参数对效率的影响力中, 最大, 最小;对水头的影响力中, 最大,φ最小。优化后的模型在设计工况点效率提高了5.83%,应用水头提高了7.15%,级间导叶损失降低了1.16%,导叶表面压力过渡更加均匀,叶片内部水流流态更加平稳,满足液力透平对于高余压液体的能量回收要求。本研究可以为水轮机模式液力透平流道式导叶的选型和优化提供参考。     

30°斜式进水流道数模分析与泵装置特性试验研究

利用三维湍流数值模拟对某30°斜轴进水流道水力特性进行了分析,研究了设计流量工况下流道的内部流场、不同横断面和纵剖面速度等值线、出口断面速度均匀度和速度加权平均角以及流道水力损失。研究结果表明,斜式进水流道水流处于均匀渐缩,内部流态良好,无漩涡或脱流,出口断面流速分布均匀度Vu=98.2%,速度加权平均角度θ=88.42°,流道水力损失Δh=5.9cm,流道型线合理。试验研究了30°斜轴模型泵装置能量特性、空化特性和飞逸特性,得到5个叶片角度下模型和原型泵装置能量特性曲线、3个不同叶片角度下空化特性及叶片角-2°下的单位飞逸转速和单位飞逸流量。试验结果表明,模型泵装置最高效率随叶片角度减小而增大,叶片角-4°时的最高效率可达83%,较大范围运行工况下的空化性能优良,飞逸转速安全。研究结果对低扬程泵站水力优化设计具有重要的参考价值。     

轴流式转轮叶片中弧线形状对空化性能的影响

在轴流式水轮机的运行和维修中,空蚀问题尤其突出,情冴严重的会导致经常停机、维修周期延长,影响了电站的正常运行,造成经济损失。因此,提高轴流式转轮的空化性能是水力优化设计的重点工作。本文将叶片中弧线形状作为研究对象,采用CFD计算模拟和模型试验的方法,展示了两种具有不同中弧线形状叶片的转轮的空化性能。研究表明,具有双向挠曲中弧线的叶片的空化性能优于单向挠曲中弧线的叶片,中弧线形状与转轮空化性能关系紧密,可以作为一个单独的几何参数来优化轴流式转轮叶片翼型。     

涡带工况下混流式水轮机转轮动应力特性分析

近年来,国内一些大型混流式转轮出现了不同程度的裂纹问题,对机组安全运行构成了威胁。研究表明,水力激励引起的混流式水轮机转轮叶片动应力是引起叶片疲劳破坏的主要原因之一。文中首先对高水头小负荷的涡带工况下混流式水轮机内流场进行非定常CFD计算,得到涡带工况下叶片表面不同时刻的水压力载荷,并利用流固耦合方法对转轮进行结构场瞬态特性计算,分析转轮叶片的动应力特性。结果表明由于水压力脉动引起的转轮叶片上的振动交变动应力是混流式水轮机疲劳破坏的主要原因之一。计算结果可为其它水轮机转轮的动应力特性分析和疲劳分析提供参考。     

基于正交试验多目标的两叶片灯泡贯流式水轮机性能优化

两叶片转轮适用于超低水头条件发电,并可弥补三、四、五叶片灯泡贯流式机组在超低水头条件下的缺陷,提高汛期发电量和电站低水头时运行稳定性。基于ANSYS CFX平台,采用正交试验法对某电站增容改造后的两叶片贯流式机组进行多目标结构优化。以叶片扭角、叶片安放角、轮毂比及导叶数4个设计参数作为影响水轮机的因素,探究其对机组出力、效率、压力脉动、叶片静应力和叶片变形这5个评判指标的影响规律。通过直观分析和极差分析结合的方法确定最优组合方案,并对优化前后的机组性能进行对比分析。通过研究发现:相对于其他3个设计参数,叶片扭角对水轮机性能影响最大。优化后,水轮机出力由3.13kW增加到4.11kW,增加31.3%;效率由87.63%提高到89.05%,提高1.42%。尾水管中段回流和漩涡消失,水流变得平顺,极大改善了流道内水流流态。     

转轮表面糙度对水泵水轮机泵工况水力性能的影响

本文研究了转轮叶片过流表面粗糙度对水泵水轮机泵工况下效率与空化的影响。采用对数律壁面函数与三维定常κ-ε湍流模型相结合的方法,在考虑粗糙度影响的基础上,对水泵水轮机模型转轮泵工况下的内部流场进行了模拟,并对模拟结果进行了分析;利用转轮内部流场数据与微观粗糙表面简化物理模型,采用多相流模型对局部粗糙叶片表面做微观流场分析。研究结果表明：粗糙度对转轮效率与空化均有影响,表面粗糙度值越大,效率下降越多,叶片表面上的空化数越大,以此推断叶片表面越易发生空化。     

混流式水轮机改造前后内部流动特性对比分析

为探究将某高水头电站原常规混流式水轮机转轮改造为长短叶片式转轮后的能量性能、空化性能以及水力稳定性的改变,采用流场数值模拟的计算方法对改造前后水轮机运行在典型工况(小开度工况、额定工况、大开度工况)下进行全流道三维定常空化湍流计算以及全流道三维非定常湍流计算分析。计算结果表明,改造后的水轮机效率在小开度工况处提高了6.7%,额定工况处提高了6.2%,大开度工况处效率提高了6.8%;改造后水轮机空化性能在大流量工况处得到了大幅度提高;改造后水轮机压力脉动幅值在小开度工况处降低了20.9%,额定工况处降低了21.5%,大开度工况处效率降低了13.8%(监测点1处)。研究结果对类似混流式水轮机的改造有一定的指导作用。     

基于流固耦合的混流式水轮机转轮静应力特性分析

近年来，国内外一系列大型水轮发电机组频繁发生转轮叶片投产后短期内出现穿透性裂纹问题，对机组安全稳定运行构成了威胁。长期以来人们一直在寻找由于水力激励引起转轮叶片应力特性的计算方法。本文首先对混流式水轮机全流道内流场进行了多工况的CFD计算，得到不同工况下转轮叶片表面水压力载荷，并利用顺序流固耦合方法对转轮在各种工况下的应力特性进行计算。结果表明在大部分工况下该转轮叶片最大静应力基本上与水轮机功率成线性关系。本文计算结果可为其它水轮机转轮的应力特性分析及转轮疲劳裂纹分析提供参考。     

新型抗空蚀转轮优化设计——满天星电站的成功改造经验

本文从改善满天星电站转轮严重空蚀破坏出发，以转轮内部三维粘性流动分析为基础，首先分析了满天星电站原转轮（HLD46）内部的压力分布规律，分析计算显示的空蚀发生部位及其强度与转轮实际运行中的破坏情况非常吻合。在此基础上，分析了转轮主要的几何参数（叶片倾角、叶片包角及型线等）对水轮机翼型空蚀的影响，通过多方案的设计和流动分析的多次比较优化，获得改善满天星电站空蚀性能为目的的新型抗空蚀转轮。优化设计后的新型转轮压力最低部位非常靠近叶片出水边，低压区面积大大减少，并且基本上没有改变原转轮的出力性能，从而获得制造厂和满天星电站的认可。新转轮于1999年底投入运行，经过4000多小时运行后1＃转轮没有发生空蚀现象，2＃转轮仅在几个叶片发现有轻微空蚀，表明改型优化是非常成功的。