混流式转轮上冠型线变化对水轮机水力性能的影响

为了获得水电站水轮机技术改造中混流式转轮上冠型线变化时水轮机水力性能的变化规律,本文以某混流式水轮机模型转轮为研究对象,在原转轮上冠型线的基础上,提出了四种改型的上冠型线方案,采用CFD方法对不同上冠型线的转轮内部流动特性、能量特性、空化性能及过流能力进行了数值模拟和对比分析。结果表明:上冠型线的适当上抬可以增大转轮的过流能力,并且改善转轮在大流量工况下的能量特性和空化性能;但过高的上冠型线对小流量工况下的叶道涡的位置和强度有负面影响;与原转轮相比,方案4的效率略有提高;小流量工况时,上冠型线越高,叶道涡的位置越靠近叶片头部,且涡的强度越大,从而使转轮效率降低;大流量工况时,上冠型线上抬可能导致叶片进口靠上冠部分出现回流,进而导致压力分布不均匀;上冠型线的改变对最优工况下转轮效率和内部流动特性影响较小;可以为水轮机技术改造中转轮的改型设计与性能预估提供必要的参考。     

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。     

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。     

混流式水轮机转轮区叶道涡压力脉动数值研究

混流式水轮机在偏离最优工况区运行时,不但在尾水管中有明显的旋转涡带,在转轮区也会有涡束沿着叶片流出,我们称之为叶道涡.随着大型混流式水轮机的广泛应用,叶道涡有可能对机组的稳定运行产生影响.本文利用数值模拟技术对某混流式模型水轮机转轮内压力脉动进行研究.研究表明:转轮区的压力脉动主要是由叶道涡诱发的,叶道涡的频率基本等于转动频率.     

混流式水轮机改造前后内部流动特性对比分析

为探究将某高水头电站原常规混流式水轮机转轮改造为长短叶片式转轮后的能量性能、空化性能以及水力稳定性的改变,采用流场数值模拟的计算方法对改造前后水轮机运行在典型工况(小开度工况、额定工况、大开度工况)下进行全流道三维定常空化湍流计算以及全流道三维非定常湍流计算分析。计算结果表明,改造后的水轮机效率在小开度工况处提高了6.7%,额定工况处提高了6.2%,大开度工况处效率提高了6.8%;改造后水轮机空化性能在大流量工况处得到了大幅度提高;改造后水轮机压力脉动幅值在小开度工况处降低了20.9%,额定工况处降低了21.5%,大开度工况处效率降低了13.8%(监测点1处)。研究结果对类似混流式水轮机的改造有一定的指导作用。     

混流式水轮机叶道涡形成分析及抑制研究

可再生能源的大力发展要求水电机组更加频繁地运行在部分负荷,以平衡电网参数,导致部分负荷下的叶道涡特性成为水轮机水力设计及优化的一个重要考核指标。本文基于理论分析和水轮机模型试验,分析了混流式水轮机叶道涡的形成原因,并提出抑制叶道涡初生和发展的有效措施。研究表明,水轮机转轮不能适应流量较大范围的变化而导致转轮内稳定连续的压力梯度被打破可能是影响叶道涡形成的因素之一。通过压缩转轮流道,采用仿生流线型设计及控制叶片扭曲程度对转轮进行改型,能够有效抑制和推迟叶道涡的初生及发展,为进一步扩大水轮机的稳定运行范围提供参考。     

叶片安放角分布规律对冷却塔用混流式水轮机转轮性能的影响研究

基于叶片骨线积分方程,采用逐点积分法针对三种不同叶片安放角分布规律设计了冷却塔用低比转速混流式转轮叶片。通过全流道数值模拟,分析了叶片安放角分布规律对设计转轮的压力分布、尾水管涡核分布及水轮机的能量特性的影响。研究结果表明,最优工况下,三个水轮机效率基本一致,但是叶片表面压力分布随着叶片安放角分布规律不同呈现明显的差异;在小流量工况下,下凹型叶片安放角分布规律设计的转轮效率较高;在大流量工况,按上凸型叶片安放角分布规律设计的转轮单位出力较大;设计工况下,线性分布的叶片安放角分布规律设计的转轮出流相对较好。     

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。     

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。     

工况变化对贯流式水轮机叶顶间隙流态的影响

贯流式水轮机是低水头水能资源开发的主力机型之一,而转轮叶片叶顶间隙流动特性是影响其空化、稳定性能的关键因素.基于数值模拟的方法,本文研究了工况变化引发转轮叶片叶顶间隙泄漏涡初生位置、形态变化的机理,分析了间隙泄漏涡形态改变对水轮机空化、稳定性的影响规律.主要结果表明:工况变化必然伴随导叶开度变化,导叶开度的改变使得转轮...     

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。     

涡带工况下混流式水轮机转轮动应力特性分析

近年来,国内一些大型混流式转轮出现了不同程度的裂纹问题,对机组安全运行构成了威胁。研究表明,水力激励引起的混流式水轮机转轮叶片动应力是引起叶片疲劳破坏的主要原因之一。文中首先对高水头小负荷的涡带工况下混流式水轮机内流场进行非定常CFD计算,得到涡带工况下叶片表面不同时刻的水压力载荷,并利用流固耦合方法对转轮进行结构场瞬态特性计算,分析转轮叶片的动应力特性。结果表明由于水压力脉动引起的转轮叶片上的振动交变动应力是混流式水轮机疲劳破坏的主要原因之一。计算结果可为其它水轮机转轮的动应力特性分析和疲劳分析提供参考。     

基于CFD的混流式水轮机改造流道内部流动特性研究

针对老旧水轮机无适合新型转轮的情况下,通过适当的改型设计,根据标准k-ε双方程和雷诺时均(N-S)方程,给定转轮边界条件,建立混流式水轮机流道内部流动的数学模型。通过CFD对水轮机进行数值模拟,获取优化后的转轮内部、活动导叶和固定导叶速度分布及叶片压力分布,通过流场分析,提高改造的可靠性。结合具体电站的应用案例,改造后结果表明:尾水管中回流细微、涡带较弱,水流在引水蜗壳和导水机构中的水力损失不大,平均效率提高5%,平均出力提高4%,水轮机的抗空化空蚀性能及可靠性均得到提高,对混流式水轮机的改造有一定的参考作用。     

基于CFD的高水头水泵水轮机空化性能研究

由于高水头水泵水轮机的运行水头(扬程)和流量变幅大,水流流经转轮叶片时流速高,机组运行工况复杂多变,比常规水轮机更易发生空蚀。因此,进行高水头水泵水轮机空化特性的CFD数值模拟分析。首先对水轮机工况的几个工况点进行数值模拟,并与试验结果进行比较,验证了数值模拟的可靠性。其次分别对水轮机工况和水泵工况进行空化流动计算。计算结果表明,水轮机工况的空化主要发生在叶片和尾水管处;水泵工况的空化主要发生在转轮叶片上,吸力面空化比压力面严重。随着进口压力的不断降低,空化程度也越来越严重。     

襟翼高度对混流式水轮机转轮空化特性的影响

空化空蚀作为水轮机运行过程中的常见问题,对水轮机性能以及机组安全稳定运行产生影响。该研究以HLX80-LJ-145混流式水轮机为研究对象,在原始转轮的基础上增加襟翼,利用ANSYS CFX对流量0.6Q_d、0.8Q_d和设计流量Q_d工况点下清水与含沙水的转轮空化现象展开数值分析。结果表明:转轮叶片吸力面靠近转轮出口边出现大面积空化;增加襟翼后转轮进口来流得到分流,水流流态变好,流线顺畅,水流和泥沙流速均减小,空泡体积分数减小,清水介质中流量0.6Q_d工况点减小最为明显,相对减小约16.35%;泥沙对转轮内的破坏减弱,含沙水介质中流量0.6Q_d工况点最大空泡体积分数相对减小约11.34%,空化性能得到改善。     

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.     

基于数值模拟的混流式水轮机叶片改型方法的研究

结合新型低水头混流式水轮机转轮的研发工作,探究了混流式水轮机转轮叶片改型方法。借助UG软件在水轮机叶片出口设定5个监测点,利用数值模拟结果绘制各点的速度三角形,修正了叶片出口安放角,并对比叶片改型前后的水轮机效率以及内部流场情况。结果表明:在同种数值模拟方法下,改型后的水轮机效率提升了1.7%,水轮机流场得到很大改善,验证了该改型方法的可行性,为同类型水轮机叶片改型提供参考。     

混流式水轮机转轮内部流动的动力学特征和分析

混流式水轮机转轮内流是复杂的非定常三维湍流流动,由于结构上的原因,转轮在非设计工况下工作时会形成不稳定流场,产生三维非定常的附面层分离,同时进一步形成贯穿整个流道的叶道涡,影响转轮的运行稳定性.目前,转轮内流场的研究还只是基于通过数值模拟对速度场和压力场进行观察和分析,但对于各种分离流动机理性研究还做得不够深入.非线性动力学主要研究非线性动力系统中各种运动状态的定性和定量的变化规律,以及系统的长时间演化行为,其可以用于流体旋涡和分离流动机理分析.本文将通过对一个模型转轮数值模拟结果的动力学特性分析,对混流式水轮机非设计工况运行时内流分离和失稳的破坏形式加以分析.     

采用三维粘性流进行长短叶片转轮水力性能分析

在高水头领域，长短叶片混流式水轮机转轮由于其稳定性和空化性能优良而得到了广泛的应用。本文结合某项目，采用平均化N—S方程，计算水轮机内部的速度场、压力场及转轮数值效率，应用数值分析的方法对转轮性能进行预估，设计了一个长短叶片混流式水轮机转轮，并与常规转轮进行了同台试验比较。     

叶道涡产生机理及对水轮机稳定性的影响

本文采用数值模拟和试验研究的方法,探讨水轮机转轮叶片间叶道涡产生的机理;通过强度计算,分析叶道涡区域叶片静应力和频率的变化,分析了叶道涡对水轮机运行稳定性的影响.