某大型抽水蓄能电站水泵水轮机转轮强度及模态分析

抽水蓄能电站中由于机组工况转换频繁、正反转运行,因此对于水泵水轮机转轮结构强度及性能具有较常规机组更高的要求。本文以国内某大型抽水蓄能电站转轮为研究对象,建立了水轮机全流道三维模型,并基于ANSYS Workbench平台对不同工况下的水泵水轮机转轮进行了单向流固耦合计算,得到水轮机工况及水泵工况下转轮的静应力分布及分布情况,并展开两种运行工况下转轮的模态分析。计算结果表明：机组在相同水头的水轮机工况下运行时,随着导叶开度的增大,转轮的最大静应力及位移均呈现减小趋势;但水轮机工况与水泵工况下,叶片的最大静应力普遍发生于叶片外缘,可采取适当加厚、检查圆滑过渡等措施予以预防和避免应力集中。通过模态分析,发现转轮流固耦合第一阶振动固有频率与导叶出口的不均匀流脉动频率接近,需调整转轮固有频率以避免共振现象的发生。     

Loss analysis and design optimization of a small scale mixed-flow pump turbine using the orthogonal method

为了研究各部件对小型混流式水泵水轮机水泵工况和水轮机工况下水力性能的影响,对一小型水泵水轮机进行不同流量下的全流道数值模拟,针对两工况下总压损失集中的叶轮进行正交设计优化。应用L9（3⁴）正交表,选取4个叶轮关键设计参数,以水泵工况扬程偏离率、效率和水轮机工况效率作为目标,进行4因素3水平的正交设计,并通过全流道数值模拟方法和极差分析方法进行选优。结果表明叶片出口直径对泵和水轮机工况性能影响最大,优化后水泵设计工况效率提高了1.06%,水轮机设计工况效率提高1.62%,其相应最优工况点因包角增加而向小流量工况移动。     

基于遗传算法的轴流式叶片全三维优化设计

本文提出了一种结合全三维反问题计算与遗传算法优化的轴流式水轮机转轮设计方法。即在对轴流式水轮机转轮叶片进行全三维反问题设计的基础上,然后以平面叶栅表面边界层中的流动损失最小和翼型气蚀系数最低为目标,小生境遗传算法进一步对转轮叶片进行优化以得到更为理想的转轮叶片。由于此方法结合了全三维反问题方法对有厚度叶片计算的准确性,以及遗传算法对解决多目标优化问题全局搜索的准确性,可以得到比较理想的转轮叶片。     

水泵水轮机转轮加装短叶片前后的流动特性对比

为对比高水头水泵水轮机的转轮加装短叶片前后的能量特性及流动特性,基于SST湍流模型,选取4个具有代表性的水泵及水轮机工况,对有/无短叶片的水泵水轮机进行全流道三维定常计算。数值模拟结果表明,以水泵运行时加装短叶片可抑制脱流与漩涡等二次流现象,降低单个叶片承受的水力载荷,提高转轮进出口、导叶区及蜗壳静压,使泵获得更高的扬程。水轮机运行时添加短叶片可减小转轮出口环量,改善在尾水管内形成的复杂漩涡流,提高其水力效率。相同边界条件下,长短叶片转轮改善了转轮区的流动条件,从而提升了机组的能量特性及水力稳定性。     

黄坛口水电站增容改造方案研究与应用

针对黄坛口水电站机组出力不足的问题,从设计参数、运行性能、试验检测等多角度深入分析了黄坛口水电站水轮机出力达不到设计值的原因,基于现有的水力条件下,采用CFD流场分析的人力优化设计方法开展优化转轮设计,选择合适的水轮机型以达到机组增容的目的。改造后,在电站工况不变情况下,新水轮机各项稳定性能指标均良好,最大出力较原转轮增加10%以上,机组效率提升明显,增容改造经济效益显著。     

桓仁电站HL741和刘家峡电站HL008转轮叶片改型试验分析

本文根据混流式水轮机转轮的水力性能特点,通过HL-25模型转轮叶片改型试验和刘家峡电站30万千瓦机组转轮完善处理,简述采用适当方法进行转轮叶片改型,可改善水轮机组在非优工况下运行的水力性能,从而提高运行工况的效率或增大转轮的过流能力,以达到增大机组出力和有效运行。     

某电站灯泡贯流式水轮机转轮优化研究

某电站水轮机转轮由于叶片应力过大而经常产生裂纹，严重威胁机组安全运行，为解决该电站水轮机转轮叶片应力过大的问题，以该电站灯泡贯流式水轮机为例，基于RNGκ-ε湍流模型，对水轮机各个部件进行建模、网格划分，通过对转轮叶片的加厚与修角优化处理，利用CFD技术对优化前后转轮水力性能及刚强度进行对比分析。结果表明，优化后转轮叶片应力与变形得到较大改善，符合工程实际需要，可有效避免转轮裂纹的产生。     

多工况下高水头水泵水轮机压力脉动特性分析

为研究多工况下高水头水泵水轮机内部的压力脉动特性,以某抽水蓄能电站水泵水轮机模型为例,采用SST湍流模型对非设计工况点下的水泵水轮机进行三维全流道非定常数值模拟,同时监测了固定导叶与活动导叶间、无叶区及尾水管处的压力脉动。结果表明,对于固定导叶与活动导叶之间的区域,水轮机工况下的压力脉动主频为叶片通过频率,而水泵工况下的最高扬程和最低扬程工况的主频分别为转频和叶片数通过的频率;对于无叶区,由于受到强烈的动静干涉效应,水轮机、水泵工况下的主频均为转轮叶片数通过频率,且脉动幅值较大;对于尾水管区域,直锥段处的频率分布规律与流量有关,水轮机小流量工况下,尾水管内主要为0.3倍转频的低频压力脉动,而水轮机大流量工况下,脉动频率主要以2.6倍转频为主。     

水泵水轮机启动过程转轮叶片受力分析

为了研究水泵水轮机水轮机工况启动过程转轮区域流态对叶片载荷的影响,以某水泵水轮机模型为研究对象,采用Realizable k-ε湍流模型开展水泵水轮机全流道三维数值计算,运用UDF技术和动网格方式,控制启动过渡过程活动导叶的开启过程,分析机组启动过程中转轮的转速变化,并与试验结果进行对比。结果表明：数值计算与试验结果吻合度较高,该文数值计算准确可行;启动过程中,在0~5 s区间,转轮叶道中间分布明显沿周向规律分布的叶道涡,叶道涡随开度的增加及转轮叶片来流条件的优化逐渐变小然后消失;启动过程来流与转轮叶片工作面发生冲击并在此区域形成高压区,导致叶片工作面进口位置压力载荷集中、相同半径处叶片工作面背面压力差较大。启动过程中转轮叶片来流与叶片工作面发生冲击是叶片压力载荷集中以及叶道涡的主要诱因。     

基于CFD的长短叶片水轮机转轮研究

以混流式水轮机HLA351为原型,基于商业CFD软件FLUENT,采用Realizable k-ε双方程湍流模型和三维时均N-S方程,对长短叶片结合、长叶片、短叶片三种混流式水轮机在额定流量工况下三维湍流数值进行了模拟研究,获得了各水轮机全流道的流速和压力分布.计算结果表明,在相同情况下,长短叶片结合的水轮机较常规转轮的流速和压力分布更合理、性能更优,为水力机械的设计或改型优化设计等研究提供借鉴.     

基于CFD混流式水轮机上冠转轮泵结构优化研究

为研究中高水头混流式水轮机上冠转轮泵工作特性及优化可行性,以红山嘴一级电站3号水轮机为例,建立现转轮泵及11种结构优化模型,利用CFD商业软件,基于SST湍流模型对不同结构转轮泵在9种流量工况下展开数值模拟。将上冠流道泄漏水流动特性、主轴密封真空度及转轮泵效率作为研究指标,结果表明：上冠流道泄漏水流动特性依赖于转轮泵的结构类型;减小转轮泵“泵盖高度比”或斜置动泵叶对提高主轴密封真空度均有显著效果(最佳结构可提高66.9%),同时须兼顾其工作效率;额定工况下,转轮泵工作效率较低,建议转轮上冠开设合适的泄水孔补给流量提高其效率;该电站可将泵叶斜置45°、泵盖高度比H_p=0.0543的转轮泵作为最佳改进方案。     

船舶柴油机动力涡轮与涡轮增压器联合优化匹配研究

搭建了某型低速二冲程柴油机动力涡轮复合涡轮增压器的仿真模型,对动力涡轮并联模式展开联合优化匹配。以同时考虑系统热效率、系统总功率、柴油机功率、动力涡轮功率、涡轮增压器喘振裕度全面择优的方式,寻取最优匹配点。结果表明:动力涡轮与增压涡轮联合优化匹配后,在中高工况下旁通8.55%的排气用以驱动动力涡轮,额定工况下其输出功率为134.6 kW,占柴油机功率的3.19%,系统总功率提升1.02%。     

长短叶片水轮机转轮气液两相流的数值模拟

为降低水轮机运行过程中的空化现象并提高经济效率,以长短叶片混流式水轮机HLA351 LJ 170原型机为研究对象,采用完整的空化流模型和商用CFD软件FLUENT中的Mixture多相流无滑移模型,在大流量工况下对长短叶片混流式水轮机进行了气液两相流数值模拟。计算结果表明,该工况下长短叶片水轮机转轮流速、压力分布合理,水力性能较好。由此预测了长短叶片水轮机空化发生的部位和程度,对水轮机优化设计或改型等具有重要的指导意义。     

基于CFD混流式水轮机减压板结构形式研究

为研究减压板结构对混流式水轮机转轮上冠流道的影响,以红山嘴一级水电站#4水轮机为例,基于CFD商用软件,数值模拟额定工况下水轮机泵板装置,以排水管压力为指标验证模型的准确性,并优化减压板半径及高度,分别从泄漏水流态、主轴密封真空度、顶盖排水管压力三方面进行对比分析。结果表明,改变减压板高度较改变半径对流道内部影响更大;随着减压板高度减小或半径增大,主轴密封真空度增大且顶盖排水管压力减小;不同减压板结构上冠流道流态不尽相同。该水轮机在减压板半径不变的基础上向上移动15mm为最佳方案,实际工程可通过减小减压板高度来提高主轴密封性能。     

基于CFD的球阀关闭对水泵水轮机飞逸过程影响的分析

蓄能机组发生导叶拒动飞逸过渡时,工况点经历不稳定的反S特性区,产生巨大压力脉动和振动,需要球阀及时关闭来加以控制。针对某抽水蓄能电站模型试验系统,采用一维管道与三维水泵水轮机耦合的CFD方法,模拟分析球阀关闭对飞逸稳定性与水轮机压力脉动和转轮受力的影响。结果表明,球阀关闭可有效抑制飞逸振荡,减小压力脉动,使波动趋于稳定;在线性关闭条件下,飞逸前期特性主要受转轮特性的影响,球阀的作用在后期逐渐体现;线性关闭对减小转轮轴向力和径向力均有利。这为球阀关闭规律的优化奠定了基础。     

汽轮机零部件多轴应力状态下的强度设计和寿命预测

介绍了汽轮机零部件多轴应力状态下的强度设计方法和低周疲劳裂纹萌生寿命预测方法,分析了汽轮机零部件多轴应力状态下稳态额定工况的极限载荷与分析设计判据,以及瞬态变工况强度的安定载荷与分析设计判据,提出了汽轮机零部件多轴应力状态下寿命预测使用的等效应力和等效应变正负号的确定方法,给出了汽轮机零部件多轴应力状态下的等效应力与等效应变的换算公式以及强度和寿命设计的安全系数.应用这些设计判据和安全系数,进行汽轮机零部件的强度设计和寿命预测,为汽轮机零部件的长周期安全运行提供了依据.     

Counter-rotating type pump-turbine unit cooperating with wind power unit

This serial research proposes the hybrid power system combined the wind power unit with the counter-rotating type pump-turbine unit,to provide the constant output for the grid system,even at the suddenly fluctuating/turbulent wind.In this paper,the tandem impellers of the counter-rotating type pumping unit was operated at the turbine mode,and the performances and the flow conditions were investigated numerically and experimentally.The 3-D turbulent flows in the runners were simulated at the steady state condition by using the commercial CFD code of ANSYS-CFX ver.12 with the SST turbulence model.While providing the pump unit for the turbine mode,the maximum hydraulic efficiency is close to one of the counter-rotating type hydroelectric unit designed exclu-sively for the turbine mode.Besides,the runner/impeller of the unit works evidently so as to coincide the angularmomentum change through the front runners/impellers with that through the rear runners/impellers,namely to take the axial flow at not only the inlet but also the outlet without the guide vanes.These results show that this type of unit is effective to work at not only the pumping but also the turbine modes.