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。     

长短叶片混流式水轮机三维非定常流数值模拟

为探究长短叶片混流式水轮机在不同导叶开度下运行时内部水流流动的特点,基于流场数值模拟的计算方法对长短叶片混流式水轮机进行了全流道三维非定常湍流计算。结果表明,在不同开度下,转轮与导叶交界面处压力脉动主频皆为转轮转频与叶片数的乘积,且在小流量工况下主频振幅最大。当水轮机在小流量工况下运行时,尾水管涡带呈螺旋形,且绕转轮转轴顺时针旋转,与转轮旋转方向相同;当水轮机在额定工况下运行时,尾水管无涡带产生;当水轮机在大流量工况下运行时,尾水管涡带呈细长的圆锥形。     

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。     

基于流固耦合的低水头混流式水轮机转轮叶片静力分析

依据西南某低水头水电站混流式水轮发电机组增效扩容改造项目,对新水轮机转轮进行数值模拟,采用单向流固耦合方法,研究转轮叶片在拟定水头下,导叶开度从17°~33°运行工况时的静力特性。结果表明在不同工况下该转轮叶片最大静应力与开度关系变化趋势基本一致。     

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。     

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。     

襟翼长度对混流式水轮机空化性能的影响

为了研究襟翼结构尺寸对水轮机空化性能的影响,以HLX180-LJ-145混流式水轮机为原型,应用UG建立在原型转轮进口靠近下环处两叶片中间位置增加襟翼结构的加襟翼转轮模型为研究对象,利用ANSYS CFX软件对0.8Q_d小流量和1.0Q_d设计流量工况点清水和含沙水介质下的转轮空化现象进行数值分析,分别采用长度在60 mm、80 mm和100 mm的3种襟翼,对比两种流量工况下加入襟翼前后混流式水轮机转轮内部流动形态,研究襟翼长度对水轮机空化性能的影响。结果表明：转轮叶片吸力面靠近转轮出口处易产生空化,增加襟翼后,转轮内总受压面积增大,空泡体积分数减小,转轮进口来流得到充分分流,带襟翼转轮过流通道的叶栅稠密度增加,叶片表面流动分离延迟,水流流线变得顺畅,水流流态变好,含沙水对转轮的磨蚀冲击减弱,空化性能得到明显的改善。该研究对不同水流介质下的水轮机改造设计与优化具有一定的参考作用。     

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。     

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。     

基于流固耦合的风力机叶片刚强度分析

基于ANSYS Workbench平台,对某小型风力提水机进行单向流固耦合分析,将流场计算得到的叶片表面的风荷载加载到叶片上,再进行静应力有限元分析。对不同工况下的风轮进行分析对比,得到风轮应力和变形规律。结果表明,在额定风速8 m/s工况下,最大等效应力集中在叶根部位;风机叶片静应力随风速增大而增大,且最大应力小于许用应力,然而长期应力集中的状况容易导致疲劳破坏;风机整体最大变形出现在叶尖处,而轮毂与叶片连接处基本上没有发生变形,呈梯度分布。     

混流式水轮机低水头工况流动特性探究

为研究混流式水轮机在低水头工况下内部空化流动特性,采用ANSYS CFX软件,基于SST k-ω湍流模型和Rayleigh-Plesset空化模型对某混流式水轮机在70m低水头条件下的3种不同导叶开度工况进行数值模拟分析。结果表明:随着开度增大,负压区域面积逐渐减小,同时,最大开度下转轮叶片压力面进口边附近出现明显的低压带;随着开度增大,涡带形态由不稳定的螺旋涡带转变为沿尾水管轴心线分布的稳定涡柱;叶片吸力面气相分布主要集中在下环靠出水边处,且气泡分布面积随开度增大而增大。     

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。     

大朝山水轮机转轮动应力试验研究

开展真机转轮叶片动应力试验研究是解决大型水轮机转轮开裂的关键。作者对大朝山水电厂6^#机组水轮机转轮动应力进行了全面的试验研究，分别对机组变转速、变电压和变负荷等稳定工况以及开停机、升降负荷、甩负荷、筒闽动水关闭等瞬变工况下转轮叶片静动应力和振动进行了测量，获得了大量第一手宝贵的试验数据，对真机转轮静动应力的变化规律进行了深入分析与探讨。研究成果对进一步揭示大型水轮机转轮的开裂原因和深入开展混流式水轮机的可靠性研究具有重要意义。     

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.     

水泵水轮机流动可视化研究

利用PIV流场测试技术，对低比速混流式模型水泵水轮机转轮在水轮机工况下进行了可视化研究，结果表明水泵水轮机模型在设计工况下转轮区的流态较好；在非设计工况下，不管正冲角还是负冲角，翼间流场都会有一定的脱流与旋涡存在。尤其在大流量工况下，在叶片正面形成的脱流漩涡，其位置几乎不变，机组运行比较稳定；在小流量工况下，存在着周期性的脱流漩涡，从进口附近逐渐变化到出口附近，机组运行不稳定。     

基于PIV技术的混流式水泵水轮机转轮内流态特性研究

混流式水泵水轮机的稳定性对机组并网的安全性具有关键影响,转轮内的流态特性是分析水泵水轮机稳定性的重要依据。该文对转轮内流态特性进行了研究,首先,建立流动可视化PIV实验模型;利用相关法,根据采集的粒子图像的分辨率,确定相关域和搜索域;在实验用的模型水泵水轮机的特性曲线上选取12个典型工况点,分析其参数;利用PIV方法,得到各工况下转轮中的流态;最后,分析转轮叶片进口冲角和导叶开度对转轮内流态的影响,进一步明确了混流式水泵水轮机内部流态与运行工况之间的关系。     

某低水头混流式水轮机叶道涡特性数值分析

采用数值模拟手段,研究低水头混流式水轮机叶道涡的水力特性,依托某低水头混流式水轮机模型转轮试验结果和数值计算结果,选取三个单位转速下出现叶道涡的工况,基于N-S方程及SST湍流模型对水轮机进行单流道、全流道、定常和非定常流动数值模拟,分析叶道涡复杂流动的水力特性和压力脉动。结果表明,在叶道涡初生工况,叶片上冠正背面均有部分脱流现象,随着水流在叶片内部运动,转轮出口处,靠近上冠区域有较明显的脱流漩涡和失速区,这部分区域也是叶道涡产生的集中区域。分析转轮内部各个监测点的压力脉动数据,发现转轮内部各个测点会出现有规律的1倍转频的低频脉动和24倍高频脉动,1倍低频脉动与转轮自身转速有关,24倍高频脉动与活动导叶数量有关,是动静干涉影响的结果。测点位置的流态越差,该测点的压力脉动幅值会越高。     

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。