基于双向流固耦合的水轮机转轮动态特性研究

由于结构及流固耦合的复杂性,一直很难准确模拟水轮机转轮的动应力状态。利用双向流固耦合的方法,求得了水轮机转轮的动应力,得到了转轮运行中动应力的变化幅值。通过对结果的分析发现转轮应力和变形近似做周期变化,且周期和叶片与导叶个数有关。通过这种方法求出动应力后即可较准确预测转轮疲劳强度,也可对转轮在各个工况下动应力进行模拟,避免机组在转轮动应力较大的工况长期运行。同时对转轮固有频率及振型进行对比研究。相比在空气中,在水压力及离心力载荷作用下,转轮的固有频率下降约1%,这是由于水电机组刚度较强的原因,而在静水中下降较多。     

迪什林水电站转轮动应力测试及裂纹原因分析

开展水轮机转轮动应力现场测试是叶片裂纹原因分析的重要手段之一。由于轴流转桨式水轮机转轮结构复杂,开展转轮叶片动应力现场测试的难度也相对较大。本文针对Tishrin水电站轴流转桨式水轮机转轮叶片裂纹问题,对其2号机进行了全面的转轮动应力和机组稳定性试验研究,介绍了Tishrin水电站轴流转桨式水轮机转轮动应力现场试验的试验方法及有关试验结果,对转轮叶片产生裂纹的原因进行了分析探讨。本文是国内外首次成功开展大型轴流转桨式水轮机转轮叶片动应力测试,具有一定的科研和应用价值。     

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。     

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.对大朝山水电厂6#机组水轮机转轮动应力进行全面的试验研究,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、筒阀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.图7参3     

甩负荷过程水泵水轮机流激振动数值模拟研究

抽水蓄能电站甩负荷过渡过程中机组振动剧烈,有导致转轮疲劳破坏风险。为探究转轮流激振动特性,对水泵水轮机在甩负荷中的典型工况（时刻）进行CFD-FEM数值模拟,分析了压力脉动、转轮动应力和振动模态。结果表明：转速是影响转轮压力脉动和动应力的最重要因素,最大转速工况最危险,转轮内压力脉动最剧烈,叶片动应力值和振幅均大于其他工况;压力脉动导致转轮动应力波动,两者频谱特征一致;转轮最大动应力出现在叶片进口与上冠“T型”连接处,过渡过程中最大值均超过材料许用应力;水力激励力频率与转轮固有频率相差较大,转轮在计算工况发生共振的可能性较小。     

负荷调节过程中的混流式转轮流固耦合计算

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，有关研究认为转轮工作过程中的动应力值偏大是引起转轮疲劳产生裂纹的主要原因。引起转轮产生动应力的水力原因很多，本文分析了负荷调节过程中的转轮动应力特性。采用Newmark算法，进行了某混流式转轮的瞬态流固耦合计算。计算发现较大应力区与实际裂纹出现的部位基本一致，但最大静应力远小于叶片的极限破坏应力。在负荷调节过程中，叶片应力集中区承受的动应力可达45MPa左右，比以前估计的经验值要大。结果表明负荷调节过程中动应力值过大也是叶片过早产生裂纹的水力原因之一。     

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。     

基于流固耦合的贯流式水轮机应力分析

结合不同流固耦合的求解特点和应用条件,在ANSYS Workbench中分别运用单向流固耦合和双向流固耦合的方法对国内某电站的贯流式水轮机在最高水头、设计水头和最小水头三种工况下的静应力和动应力进行了计算分析和比较。结果表明:各种工况下,转轮的最大静应力和最大动应力均出现在叶片根部与轮毂连接处,最大位移均出现在叶片外缘,且叶片位移从根部到外缘逐渐变大;导叶的最大静应力和最大动应力位于根部,最大位移位于外缘。与转轮相比,导叶的应力和位移值都较小。转轮和导叶的最大静应力和最大动应力的最高值出现在最高水头工况。静应力最高值远小于材料的屈服极限,而动应力最高值则达到了材料屈服极限的79%,说明使转轮结构产生破坏的原因不是静应力,而可能是动应力的作用。     

基于流固耦合的混流式水轮机转轮应力特性分析

本研究采用顺序流固耦合方法,计算了某设计中的混流式水轮机转轮在不同水头下发额定出力时的静应力分布,以及设计最高水头额定出力工况下的动应力特性。静应力计算的结果表明：最大应力出现在叶片出水边与上冠连接处,并且随着水头增高,静应力最大值有减小趋势。动应力的计算结果表明：设计的转轮,动应力的幅值满足稳定运行的要求。     

大朝山水电站6号机组运行稳定性与转轮动应力研究

通过对大朝山机组运行稳定性和动应力试验研究,分析了机组在变负荷工况下的转轮动应力变化规律和频率特征,同时也对稳定性各个特征参数与动应力变化测量结果进行了比较,并分析了在不同特征工况下,影响动应力的各个因素,为转轮裂纹机理和动应力研究以及对深入开展大型水力机组的运行稳定性和可靠性研究提供了有力的试验依据。     

水轮机运行加权因子的改进方法研究——以李家峡水电站为例

黄河上游的李家峡水电站运行15年以来,水轮机转轮上出现多条裂隙,严重影响机组运行效率,造成水资源利用效率低下,发电企业的经济效益大幅降低。鉴于此,本文开展了李家峡水电站水轮机加权因子的研究:(1)分别采用数理统计法、基于综合出力系数的改进数理统计法和旬电量平衡法,建立了李家峡水电站水轮机运行加权因子计算模型;(2)以2000—2014年水电站实测运行资料为准,设置了3种计算情景;(3)通过模型的对比分析,推荐基于效率系数的改进数理统计法计算的加权因子为最佳方案,确定了各水轮机运行效率的优劣次序;(4)计算了水轮机转轮改造后的预期加权因子、机组的特征水头和增发电量,优选了水轮机转轮改造预期的特性参数。研究成果对于水电站经济运行具有重要的指导意义和应用价值,为水轮机的转轮改造提供了技术支撑。     

新型抗磨蚀密封结构的研究

本探讨了螺旋密封的设计方法，首次将该密封形式应用于甘肃巴家嘴水电站２＃机Ａ４３０转下止漏环的设计中，试验结果表明抗磨蚀效果显。巴家嘴水电站年均含沙量为１９０ｋｇ／ｍ＾３，最大含沙量为１２００ｋｇ／ｍ＾３，在水头Ｈ＝３２ｍ转轮出口相对流速Ｗ＝１７ｍ／ｓ条件下，原转轮在浑水期运行４５天后，转轮上下迷宫环密封全部磨平，效率下降到６５％。而采用螺旋密封形式的Ａ４３０转轮下止漏环经过两年多运行检查未发现     

应用新型高性能水轮机转轮对老电站水电机组增容改造

简要介绍了近年来应用高 性能水轮机转轮对部分老电站水电机组进行增容改造的实例，提出了针对电站的不同条件进行增容改造的途径及效果。同时介绍了部分适合老机组增容改造的优秀转轮的水力性能参数。     

冲击式水电站过渡过程数值模拟

冲击式水电站机组甩负荷时,由于电站引水道长,为了减小系统最大压力上升,针阀关闭时间较长,而为了避免机组转速上升过高,在喷嘴后设置折向板以截断水流,在过渡过程计算中对针阀前管道和机组需要用不同的流量计算,本文分析了冲击式水轮机与常规混流式水轮机运行的不同,建立了冲击式水电站折向板关闭时的计算数值模型,并用该模型对一冲击式电站进行了过渡过程计算。     

混流式水轮机出力与叶片应力关系的试验研究

通过电站真机与模型转轮应力测试结果的分析证明,混流式转轮叶片应力与机组出力之(?)存在线性关系。为混流式转轮疲劳研究提供了科学依据。     

三峡电站（右岸）水轮机转轮刚强度分析

介绍三峡电站（右岸）转轮的刚强度分析结果,同时给出了转轮刚强度分析的边界条件和力学模型。分析结果表明三峡电站（右岸）转轮具有良好的刚强度,满足电站实际运行要求。     

刘家峡水电厂转轮叶型变化及较佳型线研究

本文详细论述了刘家峡水电厂水轮机转轮叶片形状的变化和磨损破坏的原因,并且提出了比较切合实际的修型建议,为电厂增容改造提供了必要的依据。