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。     

基于流固耦合的混流式水轮机转轮振动特性分析

为防止水轮机转轮发生共振,导致叶片产生共振裂纹,需要对水轮机的固有频率进行计算,使转轮的固有频率避开外界的激振频率。本文基于流固耦合方法,将CFD软件CFX与有限元软件ANSYS Workbench相结合,对某水电站混流式水轮机转轮进行了有限元模态分析计算,分别计算了转轮在有无预应力情况下对于模态计算结果的影响,并分别考虑了转轮在空气中和在水介质中的固有频率和振型。结果表明,转轮在有预应力情况下各阶固有频率会有所提高,提高幅度在0.5%以内,可以忽略预应力的影响;转轮在水中的各阶固有频率比在空气中均有明显的降低,且各阶频率降低程度不同,下降系数的总体趋势是随着阶次的提高而逐渐减小的。     

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。     

某混流式水轮机超出力运行可行性分析

为了解某混流式水轮机超出力运行的可行性,借助ANSYS计算平台,分析额定工况及水头超10％出力工况下流场及结构场进行的数值仿真计算,所得尾水管脉动压力、转轮叶片静应力等均满足规范要求;对尾水管锥管段等关键部位压力脉动监测结果也表明,各观测值均满足设计要求,说明水轮机在一定高水头区域超出力运行是可行的.     

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。     

混流式水轮机蜗壳座环强度的主要影响因素分析

从拓扑结构、几何形状、板厚尺寸三个方面，系统地阐述了影响混流式水轮机蜗壳座环强度的主要因素．通过对水轮机蜗壳座环强度影响因素分析，得到以下结论：(1)影响蜗壳座环强度的主要因素是蜗壳与固定导叶的相对位置、蜗壳过渡段的形状和位置、蜗壳断面圆半径、固定导叶数以及各主要板件的厚度．(2)一个强度性能好、合理的水轮机蜗壳座环结构型式应该是，蜗壳断面圆或其延长线与座环环板的交点应落在固定导叶内，到固定导叶外切圆的距离一般占固定导叶径向长度的28％-47％；蜗壳过渡段最好为蜗壳断面圆的圆弧，其次是弦或靠近该弦的斜线；要有足够数量的固定导叶．     

混流式水轮机转轮的改型研究

本文结合某电站ＨＬ７０２转轮的增容改造，提出了一种混流工水轮机转轮的改型设计模型，该模型将导叶与转轮联合设计，通过迭代将导叶的影响计入转轮的设计，使设计模型与实际流动更为接近，该模型可用于其它型式的叶片式水力机械转轮的改型与开发研究。     

基于ADINA的混流式水轮机流固耦合分析

以连续方程、动量方程、Reynolds应力方程和RANG湍流k-ε模型为控制方程,采用流固耦合理论追踪耦合界面,建立了混流式水轮机数值模型。通过ADINA软件平台,采用流固耦合模块,实现了转轮叶片与内部流场耦合的模拟,得到了转轮结构的应力应变、流场的压力、流速和k-ε分布。     

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。     

混流式水轮机转轮振动特性

为掌握混流式水轮机转轮振动特性以及各部件对转轮固有频率的影响规律,采用有限元法并基于流-固耦合模态分析理论,以某转轮为例,建立分析模型。结果表明,受水体影响转轮各振型的固有频率会不同程度地降低,转轮整体振型如扭转、弯曲和抬升等振型对应的水中频率与空气中频率的比值依次减小,仅叶片振动时对应的水中频率与空气中频率比值随叶片振动形态的增强而增大;叶片振动对应的频率覆盖频域较宽,很难避免共振现象的发生;上冠减薄,转轮固有频率降低,下环减薄,转轮摆动、扭转、弯曲振型对应的固有频率提高,其他振型的固有频率均降低,出水边补强转轮固有频率提高。结合分析结果和影响因素,提出了补气、修整叶片出水边、改善泄水锥形式、加设稳流装置等改善转轮水中振动状态的措施。     

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。     

混流式水轮机上冠空腔结构内部流场及单向流固耦合分析

为研究上冠空腔结构对混流式水轮机水力性能与结构特性的影响,建立了不含上冠空腔结构（No UpperCrown Cavity Structure,NUCCS）和含上冠空腔结构（Upper Crown Cavity Structure,UCCS）的两种混流式水轮机全流道几何模型,基于SST湍流模型、顺序耦合法、预应力模态分析,对NUCCS与UCCS的两种混流式水轮机展开数值模拟和单向瞬态流固耦合计算,发现泄水锥处上冠空腔结构可减少转轮内部二次流动损失。在0.8Q_d、Q_d和1.2Q_d的3种流量工况点,分别对混流式水轮机展开瞬态流固耦合计算,对比研究转轮结构的应力应变特性。研究发现含UCCS时,转轮等效应力和变形量均有减小。在小流量0.8Q_d工况点,转轮结构等效应力及应变较小,其最大变形点位于下环附近。在设计流量Q_d和大流量1.2Q_d工况点,转轮等效应力及应变较大,其最大变形点位于上冠附近。在NUCCS与UCCS的转轮进行预应力模态分析时,发现上冠空腔结构对转轮的模态影响很小。本文研究内容可为提升混流式水轮机设计水平提供一定参考依据。     

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。     

混流式水轮机转轮寿命的评估

混流式水轮机转轮寿命的评估［印度］Ｃ．Ｊ．拉奥主题词混流式水轮机，转轮，耐用年限，估算，水轮机空蚀，研究方法气蚀是一种重要的流体动力学现象，对水轮机性能及寿命有严重的影响。气蚀被定义为由于转轮局部出现低压区，此时，汽泡的生成、增长以及破裂的过程。若气...     

一种拆卸混流式水轮机转轮的实用方法

混流式水轮机转轮与主轴为锥度装配。由于水流中经常会夹带大量的树木杂草进入转轮室,使机组出力下降或产生振动。为了使机组能正常运转,需要清除杂物,就必须将转轮拆下。 大多数农村小型水电站一般都没有制定周期性检修计划,有计划也不一定按期维修。受江河水质因素的影响,转轮与主轴因年久失修而锈死,加上工具和技术水平等的限制,在拆卸混流式水轮机转轮时,拆卸方     

基于流固耦合的水轮机振动的数值研究

该文研究应用ADINA软件采用任意拉格朗日欧拉(arbitrary Lagrange-Euler,ALE)法对一混流式水轮机转轮进行了流固耦合计算,得出了转轮在空气中和水中的频率和模态.通过计算表明在水压载荷和黏性载荷的作用下,水轮机的转轮频率存在一定程度的下降,模态发生了变化.并应用动态断裂力学预测了该转轮可能发生的裂纹破坏.     

高水头混流式水轮机长短叶片转轮裂纹分析

石板水电站装有3台35MW采用长短叶片转轮的高水头混流式水轮机,机1997年投入运行以来,水轮机在空蚀、磨蚀、效率、运行稳定性方面表现出很好的性能,但转轮叶片出现了裂纹。为此,从设计、制造质量和运行方面．分析了引起该水轮机转轮叶片裂纹产生的主要原因,提出了防止裂纹的建议,对水轮机的制造和运行有较好的参考价值。     

中小型混流式水轮机转轮的修复

混流式水轮机受到汽蚀、磨损的双重作用,就得经常对转轮进行修复。为此,针对叶片的汽蚀补焊、下环修复、转轮轴向变形的抑制、叶片出水边开口变形的抑制以及转轮补焊后的打磨等作了经验简述,以期共享。图1幅。     

基于逆向工程的混流式水轮机转轮建模研究

随着科学技术的发展,逆向工程被广泛运用于工业设计中。逆向工程技术具有有效缩短产品设计、开发周期,降低新产品开发成本的优点。本文以一专用于大变幅水头条件下的混流式水轮机转轮为研究对象,探索研究混流转轮逆向建模过程中的重点与难点,最后通过水轮机全流道数值模拟验证了转轮逆向结果的可靠性,为混流式水轮机逆向工程持续深入的研究工作提供参考。