葛洲坝水电站ZZ500轮转的CFD分析及叶型优化

ZZ500转轮是我国七十年代左右研制的老型号转轮，其各项性能指标已相对落后，本文利用最新的CFD技术，对该转轮的流速场和压力场等进行了分析，计算，并据此提出了叶型优化的一些设想。     

葛洲坝水电站水轮机ZZ500转轮的CFD分析及翼型优化

利用最新的CFD技术，对葛洲坝水电站水轮机ZZ500转轮的流速场和压力场等进行分析、计算，并据此提出了叶型优化的一些设想。     

水轮机气蚀及叶片开裂问题

一、水轮机气蚀华东电网内使用的水轮机型号属HL的有129、221、263,310、662、662A、009、741、638,其他还有584,ZZ500、ZF725,SM77、ZZ587等,除少数转轮外,大都发生气蚀破坏(以下简称气蚀)。     

东方电机成功开发出水轮机导叶和转轮相互干涉非稳定流计算软件

在我国,目前对导叶和转轮间相互干涉所引起的水轮机内的不稳定问题的研究很少,但在实际的水电站中,由于导叶和转轮间相互干涉引起的机组振动现象和破坏问题却并不少见。东方电机股份有限公司运用先进的CFD流动分析技术进行非稳定流的计算,开发出水轮机导叶和转轮相互干涉非稳定流计算软件,填补了国内空白,为进一步分析水轮机在整个流动区域的非稳定流动打下了坚实的基础。其意义在于通过对非稳定流的计算结果进行分析,可以为转轮和导叶的设计提供参考,并为转轮叶片和导叶的动应力分析提供动态水力载荷,避免转轮和导叶间由于水力因素引起的…     

ZZ500转轮叶片翼型计算机绘图软件的开发

叶片翼型好坏直接关系到水轮机气蚀、效率和运行稳定性。我厂ZZ500之所以能安全满载运行,甚至能超出限制线运行,使我厂多年来获得较好的电能效益,其中重要原因之一是水轮机转轮有较好的翼型,它能使水能充分地转换为机械能和电能。为了保持转轮完好的叶片翼型,避免因泥沙磨损、气蚀     

多喷嘴冲击式水轮机内部流动及部件振形的研究

为了提高冲击式水轮机的出力与比转速,在设计时往往采取增加喷嘴数,但喷嘴数的增加会引起转轮内部流动的相互干涉,降低机组效率。本文采用CFD技术对多喷嘴冲击式水轮机的转轮内部流动进行数值模拟,通过水斗与喷嘴之间的相互流动计算的结果,优化出转轮水斗数,使之与喷嘴数相匹配,得到了单个水斗接受射流的全过程的速度-压力分布以及水流迹线、多个喷嘴同时作用时转轮内部流动的干涉情况。并利用ANSYS软件对水斗进行了应力分析,确定了水斗的应力分布、最高应力值点以及水轮机转轮和喷嘴的自振频率和振形图。本文的研究为大容量、多喷嘴冲击式水轮机转轮流动分析以及水斗的强度设计和喷嘴的振动研究提供了依据,同时也为电站的实际运行提供了参考。     

轴流式水轮机五叶片模型转轮试验报告

本文给出了轴流式水轮机五叶片模型转轮能量、汽蚀和力特性试验的结果,介绍了与A30和ZZ587a作对比试验时的情况。试验结果表明,该五叶片转轮性能较好,符合我国水轮机型谱的要求。     

双喷嘴斜击式水轮机内部流动研究

为了在转轮直径变化不大的基础上,提高斜击式水轮机的出力与比转速,在设计时往往采取增加喷嘴数,但喷嘴数的增加会引起转轮内部流动的相互干涉,降低机组效率。本文采用CFD技术对双喷嘴斜击式水轮机转轮内部流动进行数值模拟,通过水斗与喷嘴之间的相互流动计算结果分析,优化得出转轮斗叶数为20个时,双喷嘴斜击式水轮机最佳水斗木模型线,得到水斗接受射流全过程的速度、压力分布以及水流迹线,两个喷嘴同时作用时转轮内部流动的干涉情况。为斜击式水轮机的推广应用,电站运行提供参考依据。     

有无轮缘间隙的贯流式水轮机三维流动数值模拟

本文基于N-S方程和k-ε湍流模型、非结构化网格和多块网格技术,采用导叶和转轮部分联合计算的方法,在不同工况下,对贯流式水轮机模型转轮轮缘间隙在0、0.25 mm、0.5 mm和1 mm的情况分别进行了计算,分析了轮缘间隙对叶片压力分布、速度矢量、数值效率和间隙泄漏量的影响.通过对水轮机间隙流动的定性和定量分析,揭示了贯流式水轮机轮缘间隙内流动规律.     

水泵水轮机双向流动控制优化设计

本文建立了能够控制双向流动性能的水泵水轮机在线优化设计模型.模型中采用全三维反问题方法设计转轮叶片,采用叶型逼近方法求解水轮机工况和水泵工况的流场.综合考虑双向流动的能量性能和空化性能,提出了综合性能评价函敫.采用单纯形加速方法,对一高水头水泵水轮机进行优化设计,得到了综合流动性能较好的转轮.全流道的定常湍流计算结果表明,优化后两个流动方向的转轮效率都提高,空化系数降低,证明了优化方法是可行的.模型可以实现计算机的在线优化计算,减少了人工干预.     

基于CFD的混流式水轮机减压管数值分析

水轮机中的减压管对于水力发电机组稳定性的影响,已经引起了研究人员和运行人员的普遍关注.基于计算流体动力学软件CFX,采用N-S方程和RNG k-ε湍流模型,通过对某电站原型水轮机进行三维定常全流道数值计算,分析了含减压管和转轮上冠密封间隙的混流式水轮机三维全流道数值模拟的建模过程,以及减压管对转轮上冠密封间隙流场的影响,并且分析了转轮上冠密封间隙和减压管内部流动的特性.     

高比转速混流式水轮机叶道涡工况下转轮的动力特性分析北大核心CSCD

为了探讨叶道涡对混流式转轮叶片的作用机理,以某高比转速混流式水轮机为研究对象,选取出现严重叶道涡的小流量工况点开展转轮的瞬态动应力数值模拟。首先基于Navier-Stokes方程和RNG k-ε湍流模型进行了全流道定常和非定常流动计算,得出了转轮内部叶道涡的形态及分布,与实际观测现象非常吻合;然后采用有限元方法对转轮进行了模态分析,获得了转轮在水中的固有频率及振型;最后采用流固耦合方法对转轮进行瞬态动力学分析。研究结果表明:叶片危险部位的动应力的频率为转轮频率的倍频,分布于转轮叶片出口靠近上冠处的局部叶道涡对转轮的作用强度最大,导致叶片出口与上冠连接处的最大动应力值高于一般水轮机转轮的许用应力值,引起转轮该位置发生破坏甚至产生裂纹。     

国家重大科技攻关项目500MW水轮机研制取得突破

东方电机股份有限公司在承担国家“八五”重大科技项目“500ＭＷ水轮机研制”的攻关中,充分吸收和消化从ＣＧＥ公司引进的二滩电站水轮机模型试验研究的关键技术,以高技术为起点,采用多项新技术、新工艺,成功地研制出在250ｍ水头段居国内领先水平的效率达935%的模型转轮,使东方电机股份有限公司的水轮机模型研究水平得到突破性提高。技术人员在对二滩电站水轮机转轮进行流动分析的基础上,设计了模型转轮和通流部件。在转轮制造中采用组装式转轮,叶片可拆卸,可直接对叶片进行测绘和修型,转轮叶片采用数控加工,保证了翼形的准确性,座环采用可…     

X型叶片水轮机转轮流场的数值模拟

X型叶片在最近几年被广泛用于高水头大容量混流式水轮机,其数值模拟对计算机的配置提出了更高的要求。模型的建立和网格的粗细直接影响着水轮机数值模拟的结果和对硬件资源的需求。本文从这两方面着手,解决硬件资源一定条件下的大规模流场计算问题。采用全流道和单流道两种几何模型、三种网格精度对X型叶片混流式水轮机转轮进行数值模拟,对能量特性进行了预估,并分析了转轮内部的流动细节。分析结果表明：单流道计算所得能量特性结果优于全流道计算结果,与实验结果一致,这是由网格的粗细引起的;X型叶片表面压力和速度变化均匀,转轮内流动顺畅,表现出良好的水力性能,与实际情况相符;用单流道模型来代替全流道模型对转轮流场进行数值模拟,可以提高计算精度,节省计算时间,降低计算成本。     

海水淡化高转速泵作透平的压力脉动分析北大核心CSCD

离心泵反转作透平是海水淡化能量回收一体机的核心动力部件之一,运行时的压力脉动是机组产生振动和噪声的主要因素之一。本文以高转速离心泵反转作透平为研究对象,采用SAS-SST-CC湍流模型,对其进行整机流道三维非定常流动数值计算,通过流场分析及压力脉动频谱分析,探讨该透平在运行时的非定常流动特性。非定常数值计算结果显示,蜗壳内多测点的压力脉动主频均为叶片通过频率,说明蜗壳内压力脉动主要由转轮和蜗壳隔舌间的动静干涉引起;旋转转轮域内8个叶片间流道中各布置了6个测点,各相似位置测点间的压力脉动峰峰值最大相差10.3%,说明对称的旋转转轮内的流动分布严重不均,这些旋转测点的脉动频率主要为叶频8倍频附近的主频或次主频,说明转轮与蜗壳间的动静干涉、叶片流道间的漩涡是引起转轮内压力脉动的主要因素,且局部漩涡引起的压力脉动强于转轮动静干涉造成的。结果表明,转轮内压力脉动比蜗壳内明显剧烈,旋转转轮内的压力脉动是机组振动主要水力原因。     

高比转速混流式水轮机叶道涡工况下转轮的动力特性分析

为了探讨叶道涡对混流式转轮叶片的作用机理,以某高比转速混流式水轮机为研究对象,选取出现严重叶道涡的小流量工况点开展转轮的瞬态动应力数值模拟。首先基于Navier-Stokes方程和RNG k-ε湍流模型进行了全流道定常和非定常流动计算,得出了转轮内部叶道涡的形态及分布,与实际观测现象非常吻合;然后采用有限元方法对转轮进行了模态分析,获得了转轮在水中的固有频率及振型;最后采用流固耦合方法对转轮进行瞬态动力学分析。研究结果表明:叶片危险部位的动应力的频率为转轮频率的倍频,分布于转轮叶片出口靠近上冠处的局部叶道涡对转轮的作用强度最大,导致叶片出口与上冠连接处的最大动应力值高于一般水轮机转轮的许用应力值,引起转轮该位置发生破坏甚至产生裂纹。     

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。     

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。     

混流式水轮机转轮的涡量场分析

本文利用涡量场和边界拟涡能流BEF（boundary enstrophy flow）,对混流式水轮机转轮叶片进行了性能评价和优化。在转轮三维湍流数值计算基础上,通过控制拟涡能在叶片表面的分布,能够提高转轮最优工况下的水力效率。优化后转轮叶片表面的拟涡能比原型有明显改善,转轮流场的流动状况也明显改善,说明基于涡量场的分析对于混流式水轮机转轮叶片优化能够起到一定的作用。边界拟涡能流BEF能够从能量角度反映流体和固体之间的相互作用关系。     

联轴部分对转轮自振频率计算结果的影响分析

本文以一个电厂结构为分析基础,选取了一个完整的转轮和不同轴身长度作为计算模型,计算出了转轮不同节径的自振频率。对计算结果和不同振型进行了分析,对转轮自振频率与激振频率的关系进行了分析,给出了设计时对转轮自振频率计算模型的选取及对计算结果的影响和取值方面的指导性意见,对结构优化调整转轮自振频率具有一定的指导意义。