基于CFD和FEM的混流式水轮机数值模拟研究

摘要： 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,建立混流式水轮机内部流动的数学模型。利用CFD技术分析水轮机内部、活动导叶和固定导叶速度分布,叶片压力分布等流动参数;采用FEM刚强度分析转轮叶片应力和变形量,复核叶片的结构设计和材料。基于CFD和FEM数值模拟技术,对水轮机选型、优化设计均具有一定的指导意义。     

导叶不同开度下抽水蓄能机组水轮机工况内流特性分析

为了解抽蓄机组水轮机工况下活动导叶不同开度下的内流特性,以某抽水蓄能电站水泵水轮机为研究对象,基于SST k-ω湍流模型,进行活动导叶不同开度下全流道三维非定常数值模拟和分析,探讨活动导叶开度对过流部件内部流场的影响.结果表明:随着导叶开度的增加,水泵水轮机的流量增大,转轮力矩增大但增幅降低,效率先增大后降低.蜗壳整体上的压力沿周向分布比较均匀,从蜗壳进口到蜗壳出口均匀降低,水力损失较小;固定导叶形状及安放角与活动导叶搭配影响较大,小开度和大开度工况下活动导叶和固定导叶进口处水力损失大;压力变化线与进出口是否平行影响转轮内部流态,中开度转轮叶片做功最好;小开度工况下易产生偏心涡带,降低机组效率,不利于尾水管能量的回收,中开度工况下尾水管流态最好.研究结论对抽水蓄能机组运行提供了理论参考.     

高水头电站水轮机沙水流动特性的数值研究

研究泥沙磨损有助于降低水轮机磨损,延长水轮机使用寿命。运用Partical两相流模型对高水头多泥沙电站的水轮机全流道内部沙水两相流动进行数值计算,并分别分析转轮进口沿叶高20%、50%、80%流面的流动特性。计算结果表明,压力从固定导叶进口到转轮出口圆周方向的周向性较好,分布合理,最低压力高于空化压力。活动导叶上泥沙相体积分数最高在导叶头部位置,尾部泥沙相体积分数也较高,导叶靠近头部处和导叶尾部泥沙速度最大。转轮叶片各叶高流面泥沙相体积分数均在叶片工作面尾部达到最大,叶片头部和尾部位置泥沙速度均较高。研究结果对水轮机选材、关键磨损部位的预测及防护方案具有指导意义。     

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。     

混流式水轮机导叶叶道内湍流场的大涡模拟

应用非定常不可压缩流体N-S控制方程和大涡模拟动态亚格子湍流模型,基于混合网格技术,采用SIMPLEC算法实现速度、压力变量的分离求解,得到了型号为A55x的某试验模型水轮机活动导叶全流道速度场、压力场以及涡量场分布.计算结果表明,活动导叶绕流形成的涡带向下游进一步发展,造成转轮进口速度及压力分布的不均匀,直接影响转轮内的流动状态.同时还研究了导叶后不均匀流场的动态特性,发现越靠近下游时间平均的压力和速度不均匀度越来越小,但各断面的瞬时不均匀度值相差较大,提出寻找叶后时间平均上始终处于最小速度不均匀度的断面应成为未来水轮机水力设计的重要设计指标.     

低比转速混流式水轮机流动噪声数值模拟

为预测低比转速混流式水轮机的主要流动噪声,采用重整化群RNGκ-ε模型和FW-H模型,计算了不同导叶与转轮叶片径向间距时水轮机导叶与转轮壁面上压力脉动构成的偶极子声源产生的流动噪声,分析了导叶与转轮叶片径向间距对水轮机压力脉动及噪声特性的影响,以及压力脉动与流动噪声之间的关系。结果表明,导叶末端和转轮叶片进口背面压力脉动最剧烈,是主要的偶极子噪声源,压力脉动和流动噪声的离散噪声在叶频及其谐频处出现峰值;随导叶与转轮叶片径向间距增大,压力脉动幅值减小,流动噪声减小,因此适当增大水轮机导叶与转轮叶片径向间距是一种有效降低流动噪声的途径。     

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。     

满负荷工况下水泵水轮机动静干涉效应研究

动静干涉引起的压力脉动主要是叶片通过频率及其倍频。这些频率的压力脉动在无叶区、活动导叶和固定导叶以及流道上游传播和反射,极大地影响机组的安全稳定运行。本文基于可压缩计算方法,获得某高水头水泵水轮机满负荷工况下1倍和2倍叶片通过频率压力脉动,通过分析其幅值和相位的分布特征,探索了压力脉动传播特性。     

水泵水轮机“S“特性对机组水头低时发电影响及对策分析

介绍了水泵水轮机“S”特性并从理论上分析了其形成的原因。由于活动导叶与固定导叶的共同作用,抽水蓄能机组水头低时发电,导叶异步开启时,进入转轮前部分水流的流速得到了提高,并高于导叶同步开启时进入转轮前水流的流速。从而有效地改善了对应空载工况点处的“S”特性,解决了水泵水轮机“S”特性此时对机组运行的不利影响。并结合实例进行了分析。     

双喷嘴斜击式水轮机内流场分析

为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,在设计时常采取增加喷嘴数,改变机组布置形式.但喷嘴数的增加易引起斗叶内部流动和射流之间的相互干涉,影响机组效率.利用CFD技术对双喷嘴斜击式水轮机进行流场分析,通过不同斗叶接受喷嘴出口射流的流动计算及结果分析,优化得出转轮斗叶数为20个时双喷嘴斜击式水轮机的最佳斗叶木模型线,并得到斗叶接受射流全过程的速度、压力分布、水流迹线及两个喷嘴同时作用时转轮内部流动的干涉情况.可为斜击式水轮机的推广应用、电站运行提供参考依据.     

Transient numerical analysis of rotor–stator interaction in a Francis turbine

Pressure fluctuation due to rotor–stator interaction and occurrence of vortex rope in draft tube at partial load operation are obvious phenomena in Francis type reaction hydro turbines. These hydrodynamic effects are important issues and should be addressed during the design of hydraulic machines. A 3-dimensional transient state turbulent flow simulation in the entire flow passage of a 70 kW-Francis turbine having specific speed of 203.1 is conducted to investigate the rotor–stator interaction by adopting kω based SST turbulence model. The commercial 3D Navier–Stokes CFD solver Ansys-CFX is utilized to study the flow through this vertical shaft Francis turbine in its stationary and transient passages, at 100% optimum load and 72% of part load. The investigated turbine consists of a spiral casing with 16 guide vanes, 8 stay vanes, a runner with 13 blades and a draft tube. With a time step of 2° of a rotational period of the runner for 10 full rotations, the time dependent pressure and torque variations are monitored at the selected locations during the unsteady state calculation. A periodical behavior is observed for the pressure distribution in guide vanes, runner blades and torque in the runner blades. The pressure distribution curve in runner blades reveals the two dominating frequencies – the lower peaks due to runner speed and the upper peaks corresponding to the number of guide vanes interacting with the flow. The flow acceleration toward inside of the runner is depicted by the expanding wakes behind the stay vanes. Vortex rope is observed in draft tube, downstream the runner, at part-load operation.     

淮阴抽水站可逆式轴流泵装置性能研究

为了满足泵站抽水发电可逆运行的要求,应用Fluent软件,利用CFD数值模拟技术模拟了不同方案的流道内流场,分析了叶片翼型、叶片个数、轮毂比、导叶数量、导叶距转轮出口距离对水泵性能的影响,得到了最优的水力模型装置,即转轮叶片数为4、最优安放角为0°、轮毂比为0.40、导叶数为5、导叶进口边与转轮出口距离为268mm时,转轮具有更好的做功能力,且装置全流道效率和转轮效率达到最大值。根据数值模拟计算设计出的轴流式水泵水轮机转轮特性与模型试验结果比较接近,具备实际应用价值,不仅可节约新转轮的开发成本,且缩短了研发时间。     

张河湾抽蓄电站运行时过大厂房振动分析与处理

张河湾抽蓄电站装机4台250MW的抽水蓄能机组,机组投入运行后,一直存在过大的厂房振动和高频噪声,威胁了电站的安全稳定运行,影响了员工的身心健康。经测试分析和有限元计算,发现转轮与导叶间动静干涉而产生的压力脉动(无叶区压力脉动)造成局部厂房结构发生了共振现象。对转轮进行水力优化设计,转轮更换后,无叶区压力脉动大幅减小,2倍叶片过流频率分量幅值也大幅减小,随之厂房振动也大幅减小,高频噪声消失。厂房振动过大和高频噪声问题得到解决。研究成果可为其他抽蓄电站提供参考。     

低水头电站导水机构内流场的水力优化计算

针对蜗壳(包括固定导叶)内流场的回流和撞击问题,以Fluent为工具,采用SIMPLE算法,对低水头电站蜗壳和导水机构进行三维不可压定常粘性流动数值模拟,分析了产生问题的原因,提出采用改善固定导叶型线及进出口角度的方法对固定导叶进行优化。对优化后模型进行最优工况下的数值计算表明,优化结果较为理想,改善了原设计中部分导叶处流态不稳定的状况,为水轮机固定导叶的优化提供了依据。     

Study of the simultaneous effects of secondary flow and sediment erosion in Francis turbines

Sediment erosion of the hydropower turbine components is one of the key challenges due to the constituent of hard particles in the rivers of Himalayas and Andes. In the case of Francis turbines, previous studies show that the erosion is mostly observed around stay vanes, guide vanes and runner blades. Depending upon the type of flow phenomena in particular regions and operating conditions, the sediment particles having certain geometric and material properties create distinct erosion patterns on those regions. The flow phenomena in Francis turbines are highly unsteady, especially around guide vanes and runner. The unsteadiness arises in the form of leakage through clearance gap, horseshoe vortex, rotor-stator-interaction and turbulences supported by high velocity and acceleration. The erosion on the other hand deteriorates the surface morphology, aggravating the flow. Based on a thorough literature survey, this paper explains the simultaneous nature of the two effects, which in combined, contributes to more losses, vibrations, fatigue problems and failure of the turbine. It also discusses some of the research endeavors to minimize the combined effect by controlling either the erosion or the secondary flow in the turbine. This review paper emphasizes the need of understanding the relationship between the two phenomena and techniques of how the combined effect can be predicted as well as minimized.     

HL240转轮改型设计与研究

本文运用近年来水轮机设计中取得的一些最新成果，结合新疆伊犁团结水电站混流式水轮机的增容改造，在不改变引水部件和尾水管的形状、参数及转轮与主轴联配关系的前提下，对转轮的上冠、下环型线及叶片进出口边的轴面投影进行了改型设计，应用三维流Ｓ２流面有旋流动的反问题计算重新设计了转轮。新转轮在１８ｍ水头下机组出力达１２５０ｋＷ，较原机组增大２５％，且运行平稳、振动小。     

基于气液两相的导叶对液力透平内部流动规律的影响

为了研究气液两相条件下导叶对液力透平内部流动特性的影响,现选取比转速为55.7的离心泵反转作为液力透平,并在液力透平叶轮进口添加一组负曲率导叶,设计出含导叶的水力模型,研究含气工况下导叶对液力透平性能的影响。研究发现:添加导叶前蜗壳和叶轮流道内压力分布和气相分布不均匀,且含气率越高均匀性越差,过流部件内流动较为紊乱,蜗壳和叶轮流道内出现了旋涡;添加导叶后,在较高含气率工况下叶轮流道内压力分布相对均匀且混合介质的流动情况得到改善,水力损失减少;添加导叶后透平最优效率点的值要高于未添加导叶的最优效率点的值,但随着含气率的提高,添加导叶的液力透平效率比未添加导叶的透平效率下降快。     

基于CFD的轴流泵后置导叶水力性能分析

为了解轴流泵后置导叶的水力性能,基于RNG湍流模型,采用计算流体动力学CFD软件Fluent,应用SIMPLIEC算法对轴流泵模型装置全流道进行了数值模拟,分析了四种不同流量下导叶体的内部流动特性,研究了导叶的水力性能。结果表明,导叶的水力损失随流量的增加先减小后增大;在设计流量处导叶水力损失最小,导叶压力转换能力最好;小流量下叶轮进出口处水流流态紊乱,导叶流道内出现漩涡回流,是导致导叶水力损失较大的主要原因;大流量下叶轮出口水流轴向速度较大,水流导叶进口边撞击将导致导叶体水力损失增加,水力性能下降。     

水泵水轮机“S”特性区的流动机理及研究进展

水泵水轮机作为抽水蓄能电站中实现能量转换的核心部件,也是抽水蓄能技术国产化过程中的关键。本文介绍了水泵水轮机近几十年国内外的研究发展现状,针对水泵水轮机由于结构的特殊性在"S"特性区内低水头运行时常发生机组并网困难或者在甩负荷过程中水压异常上升的问题,通过描述"S"特性区的形成机理并从形成机理、设计方法、研究方法和流道内部不稳定流动特性等方面入手分析了现有相关研究中存在的问题,总结了"S"特性区对抽水蓄能电站的不利影响及其相对成熟的预开导叶法,并且认为今后的研究重点为优化水力设计。