导叶开度对混流式水轮机尾水管内流动特性的影响

为了深入研究尾水管内的流动特性,结合某电站混流式水轮机的实际运行情况,基于标准的κ-ε湍流模型,选用Fluent软件在额定水头不同导叶开度下对其进行全流道数值模拟,分析了不同导叶开度对混流式水轮机尾水管内部流动特性的影响。结果表明,当导叶开度为100%时尾水管内部形成了周期空化涡带,此涡带的存在易导致水轮机机组产生强烈振动;当导叶开度较小时,尾水管内速度分布较为均匀;尾水管进口段的压力分布情况对导叶开度的变化较为敏感,可通过合理控制导叶开度来减小尾水管内的水力振动,降低水力损失。     

高水头大变幅混流式水轮机尾水管内部流动分析

为探究高水头大幅变化对混流式水轮机尾水管涡带的演化及对压力脉动的影响,以国内运行水头变幅最大的紫坪铺水电站水轮机为例,通过三维建模及定常和非定常条件的CFD分析,研究混流式水轮机在相同开度下最大水头、设计水头和最小水头三种工况的流动特点.结果 表明,最小水头工况下尾水管内部流态较乱,尾水管中存在螺旋型空腔涡带,主要分布...     

中低比转速混流式水轮机空化与水力振动分析

针对中低比转速水轮机空化、振动问题比较突出的现象,以大桥电站水轮机为例,采用分离涡模型(DES)对其进行了三维CFD计算,得到了活动导叶、转轮和尾水管内的压力分布、速度分布及压力脉动特性。结果表明,转轮空化发生在叶片出水边靠近下环的区域,与实际情况相符;机组在高水头、大开度工况下,振动更突出,振动频率为机组旋转频率的整数倍,表明振动主要由转轮造成,而非尾水管涡带引起的。     

模型水泵水轮机的尾水管旋涡空化流动分析

为研究水泵水轮机的空化性能,文章采用基于SST k-ω湍流模型和Zwart空化模型的两相流计算方法,对某抽水蓄能电站的模型水泵水轮机进行定常计算,并将计算结果与试验结果进行了对比。对不同导叶开度下3个非设计工况的数值计算结果进行了对比分析,结果表明:随着流量增大,涡带形状有所不同,小流量工况下涡带形状较为复杂,中流量工况下涡带为螺旋形,大流量工况下涡带为柱状;涡带半径越来越小,涡带中心的压力越来越低,当涡带内部压力低于汽化压力时,就会产生空腔空蚀,反而使得效率下降。当转轮出口处外侧存在圆周速度分量,中心区域速度较小时,会形成涡带,交界区域速度急剧变化的位置与涡带半径相对应,涡带形状与速度分布情况有关。     

高水头混流式水轮机尾水管压力脉动综述

在高水头的混流式水轮机中,由工程实例的观测和研究可以得出,其运行过程中的机组不稳定性主要来源于机械内部的水力振动,而尾水管压力脉动作为水轮机水力振动的主要原因,在一定情况下会引起机械的疲劳失效。而从其内部流动机理上看,其周期性脉动特征是偏工况条件下尾水管内部的涡带振动,旋进涡核会产生高振幅低频压力脉动和高频压力脉动。本文主要介绍和讨论了国内外学者对这一领域的研究。这些研究主要包括尾水管涡带振动的机理研究,尾水管涡带振动的试验研究和数值模拟,尾水管涡带振动的结构影响,尾水管涡带振动的预防措施及对策。     

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.     

水泵水轮机空化流及转轮轴向受力分析

为研究水泵水轮机在水泵工况运行时的空化特性及转轮所受轴向力的变化情况,以某抽水蓄能电站模型水泵水轮机模型为研究对象,基于Zwart空化模型和SST k-ω湍流模型,在不同流量系数下进行不同空化数的三维数值模拟并与实验对比验证。结果表明:在小流量和设计流量工况下气泡首先出现在吸力面靠近前缘位置并逐步向叶片出口和压力面扩展,而在大流量工况下气泡首先在压力面出现,并扩展至吸力面区域且已远离前缘位置,同时探讨了轴向力随着空化数的变化规律。     

波浪发电系统专用水轮机的优化设计

文章结合青岛某地的波浪发电系统,研发了一种新型的超低比转速混流式水轮机。通过对水轮机全流道进行三维定常不可压缩湍流流场的数值模拟,分析了不同导叶、不同出水边叶片转轮及不同尾水管锥度对水轮机性能的影响,在满足某地波浪发电系统设计的要求下,通过数值模拟的方式,设计出合适的波浪发电系统专用水轮机。模拟计算结果表明:在设计转速为180 r/min时,水轮机出力和效率均满足波浪发电系统的要求;在设计工况下,尾水管内涡与尾水管中心线接近同轴,确保了水轮机的运行稳定性;在全年波高的变化范围内,设计的波浪发电水轮机具有良好的水力特性和运行稳定性,适合波浪发电波动大的特点。     

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。     

尾水管扩散段结构变化对低水头混流式水轮机性能的影响

为探究低水头混流式水轮机尾水管扩散段底板抬起角对其性能的影响,结合西南某水电站增效扩容项目,在保证尾水管扩散段上下面角度不变的前提下,拟定了两套扩散段底板抬起角方案,利用相关软件建立了高效区内导叶开度为35°时水轮机的水体模型,并对其进行了流场数值模拟。结果表明,尾水管扩散段底板抬起角对水轮机效率影响不大,对水轮机出力和尾水管回能系数影响较大;随着底板抬起角的增加,相同水头下水轮机出力逐渐减小;在低水头(小流量)时,有适当的底板抬起角比没有时更有利。     

灯泡贯流式水轮机在小流量工况下的内流特性分析

为了研究灯泡贯流式水轮机在小流量工况下的内流特性,以某水电站贯流式水轮机为研究对象,利用RNG k-ε湍流模型对全流道进行数值计算,分析在小流量工况下尾水管恢复系数和全流道流动情况,并定量分析水轮机部分过流部件的压力脉动情况。结果表明：在小流量工况下当电站水头和导叶开度不匹配时,尾水管的恢复系数减小,当尾水管恢复系数减小2%~3%时,机组效率降低1%;受转轮主流区和尾水管死水区的相互作用,在尾水管边壁会形成漩涡结构,有明显的回流且在边壁存在高速流体;在小流量工况下,机组主要受低频压力脉动影响,转轮进口处的主频是由在转轮转动和导叶提供机组环量时产生的,在尾水管中主要受频率为0.2 Hz的低频压力脉动影响,压力脉动系数沿尾水管出口方向依次增大,最大为1.75%。     

水轮机尾水管导流板减振分析

为减轻水轮机尾水管内涡带产生的振动,设置了一种在直锥段平行排布的尾水管导流板,并对某电站的水轮机尾水管进行了UG三维建模和CFD数值模拟计算,通过对比安装导流板前后尾水管内的流场、压力和速度分布,证实了此种导流板消振作用的有效性,对研究尾水管内导流板的排布规律有一定参考价值。     

颗粒对混流式水轮机内流场及外特性的影响

为了研究颗粒对混流式水轮机内部流场和外特性的影响,采用单相和固液两相流模型对某电站的高水头混流式水轮机进行全流道非定常数值模拟,分析水轮机运行在典型工况(小流量工况、额定工况、大流量工况)时的外特性和压力脉动特性。结果表明:颗粒的存在会不同程度降低水轮机效率,平均降低1%左右。在监测点P_1(转轮与活动导叶的交界面)处,颗粒的存在不同程度增加了此处的压力脉动,小流量工况下增加幅度最大;监测点P_5(尾水管)处,小流量工况下颗粒的存在增加了此处的低频压力脉动,大流量下颗粒的存在略微削弱了此处的压力脉动幅值。     

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。     

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.     

尾水管内水流流动的近似计算

近似计算了尾水管进口处水流环量，导出了压力脉动的振动频率和振幅的近似计算公式，对由尾水管中涡带引起的压力脉动特性进行了分析，并近似推导了尾水管中压力脉动特性的计算公式。实例计算表明，该方法简便易行，同时对压力脉动特性进行理论分析和指导水轮机运行有一定的实用价值。