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。     

间隙空化对贯流式水轮机压力脉动特性的影响

许多贯流式水电站机组振动严重、噪声大,部分电站难以正常运行.目前的贯流式水轮机稳定性研究多侧重于转速频率和涡带频率,对高倍转速频率压力脉动危害性及其成因关注较少.本文将空腔危害水力机械稳定性理论应用于灯泡贯流式水轮机间隙空化研究,采用理论分析和原、模型试验验证相结合的方法,论证分析了间隙空化和高倍转速频率压力脉动的联系...     

短叶片低压边对水泵水轮机空化性能的影响

为探究短叶片低压边位置对高水头长短叶片水泵水轮机转轮空化性能的影响,针对其转轮的结构特点,设计具有不同低压边位置的短叶片方案。以低压边在上冠位置直径与转轮喉部直径的比值,从大到小依次命名为方案A、B、C,比值越小低压边位置越靠后。采用Rayleigh-Plesset空化模型对三方案分别进行3个水轮机工况和2个水泵工况的定常数值模拟,对比分析计算工况下各转轮的空化形态及能量特性。结果表明：在水轮机方式,小流量工况下随着短叶片低压边位置后移,转轮空化性能得到改善,而在大、中流量工况下方案B的转轮空化性能最优。在水泵方式,高扬程工况下转轮空化程度随低压边位置后移先减缓后加剧,低扬程工况下方案A的低压边位置最利于改善空化性能。综合考虑水轮机方式和水泵方式,直径比值为0.9487的方案B空化性能较优,效率和扬程相对较高。对后续高水头水泵水轮机转轮水力优化设计具有指导意义。     

水轮机空化系数及其对水力性能的影响

水轮机空化系数对水轮机的效率、出力、空化、压力脉动、飞逸转速及轴向水推力等性能均有一定影响,有的工况影响非常大。本文首先介绍了空化系数对能量、空化性能的影响及与其有关的两个空化系数的区别,然后着重介绍了空化系数对压力脉动和飞逸转速的影响,探讨了空化系数对轴向水推力的影响及正确的试验方法。     

试验水头和空化系数对混流式水轮机尾水管压力脉动影响的试验研究

本文通过试验方法研究了模型试验水头和空化系数对混流式水轮机为尾水管压力脉动的影响。首先在混流式水轮机6个典型运行工况,即空载、低部分负荷(叶道涡)、部分负荷、最优工况、额定工况和超负荷工况进行变水头和变空化系数试验。试验结果表明在试验范围内,水头对混流式水轮机尾水管压力脉动幅值影响较小;而在一定范围内,空化系数对混流式水轮机尾水管压力脉动有较大影响。通过对部分负荷和超负荷工况幅值和频率分析发现,空化系数不仅对混流式水轮机尾水管压力脉动幅值有较大影响,对其频率分布也有较大影响。最后比较了以转轮中心线为空化基准面的压力脉动试验结果和以锥管中心线为空化基准面的压力脉动试验结果。研究表明,以转轮中心线为空化基准面进行压力脉动试验比较合理,故进行混流式水轮机压力脉动相似性研究时,需考虑空化系数的差异和空化基准面的选择。     

叶栅稠密度对贯流式水轮机效率影响的研究

本文从理论上讨论了贯流式水轮机转轮叶栅稠密度对水轮机水力效率的影响,模型试验结果也说明了这一点。得出了应合理选择叶栅稠密度和叶片扭角,以提高大流量区的效率和机组比转速的结论,并提出了对多泥沙河流上的贯流式水轮机组应适当增大转轮叶栅稠密度,以减小叶片内的相对水力摩擦损失。     

磨蚀对水斗式水轮机的水斗型线及性能影响的研究

在含沙水流中运行的水斗式水轮机,分水刃和缺口是斗叶上最容易受到磨损变形的部位。采用欧拉-拉格朗日法对水-气-砂三相流进行非定常计算,研究分水刃高度下降对流态及泥沙磨损的影响,以及分水刃高度、缺口深度变化对转轮外特性的影响。研究发现:分水刃高度下降会对流线产生影响,在进水侧区域诱发旋涡和湍流,致使流态紊乱,水力损失增加,从而造成转轮外特性下降。当分水刃高度下降2、5、10mm时,转轮的效率分别减少了0.22%、0.66%、5.98%。分水刃高度下降造成的斗叶型线变化,会影响泥沙颗粒对斗叶内壁面的磨损情况。分水刃下降的高度越大,分水刃区域的磨损越严重、磨损范围越大。缺口深度增加会减小斗叶工作面面积,造成转轮外特性下降。尤其是当缺口深度增加10mm时,效率降低了15.37%,转轮效率低于70%,在这种工况下运行,对射流能量的利用是非常不利的。