混流式水轮机叶片强度计算及其应力特性改善

近年来，国内外一系列大型混流式水轮发电机组频繁发生转轮叶片的疲劳裂纹问题，对电站机组的安全稳定运行构成了严重威胁。本文以一混流式水轮机为研究对象，通过混流式水轮机全流道CFD计算及基于顺序流固耦合的转轮结构应力场计算，分析该转轮产生疲劳裂纹的原因；其次通过在叶片出水边和上冠连接处加应力释放三角块来降低叶片最大有效应力值和改善叶片应力分布。结果表明应力释放三角块可以明显降低叶片最大有效应力和改善叶片应力分布。本文计算结果可为其它水轮机转轮的转轮疲劳裂纹分析及应力特性改善提供参考。     

混流式水轮机叶片裂纹原因分析及其处理工艺

本文对混流式水轮机叶片裂纹原因进行分析、提出裂纹处理工艺，并估算裂纹扩展周期和确定合理检验周期控制断裂事故。     

高水头混流式水轮机长短叶片转轮裂纹分析

石板水电站装有3台35MW采用长短叶片转轮的高水头混流式水轮机,机1997年投入运行以来,水轮机在空蚀、磨蚀、效率、运行稳定性方面表现出很好的性能,但转轮叶片出现了裂纹。为此,从设计、制造质量和运行方面．分析了引起该水轮机转轮叶片裂纹产生的主要原因,提出了防止裂纹的建议,对水轮机的制造和运行有较好的参考价值。     

二次整体回火处理混流式水轮机转轮叶片裂纹

一、情况介绍浙江乌溪江水电厂湖南镇水电站装有4台机组,其中3号、4号水轮机主要技术参数如下:型号HL200一LJ一250 额定出力43800KW 额定转速25or.F.M.工作水头设计水头90m 最大水头117m 最小水头65m 设计流量55.7m~3/S 转轮系铸焊结构,上冠与下环的材质是     

基于流固耦合的混流式水轮机水力激振与疲劳寿命损伤研究

为研究水轮机投入生产后常常产生的裂纹以及疲劳失效问题,构建混流式水轮机HLA551 c-WJ-71几何模型并模拟流固耦合(FSI)中复杂的流体流动,对混流式水轮机额定工况运行过程中动态应力以及叶片形变进行分析,揭示流道内的动态应力与叶片疲劳失效之间的内在关系。结果表明：混流式水轮机额定工况运行时,叶片的最大Von Mises应力为60.2 MPa,远小于材料的极限应力,因此静应力不会导致叶片产生短期裂纹破坏;水轮机额定工况运行时叶片表面和尾水管的动应力最大为10⁷kPa,同样远小于材料的极限应力;叶片上冠处为叶片最高应力区域,且在叶片表面压力变动时,压力的变化幅值也较大,因此认定叶片上冠为叶片的疲劳危险区。研究结果有助于水轮机转轮的优化设计,提高对水轮机瞬态运行及疲劳失效的理解。     

基于流固耦合的混流式水轮机转轮强度分析

对我国东北某大型混流式水轮机在设计水头不同工况的转轮强度进行了单向流固耦合计算,采用CFD软件CFX,计算得到各工况流场中叶片表面的水压力,借助ansys workbench平台,将其作为结构面载荷加载到叶片上,得到各工况下转轮的静应力分布及变形情况。研究结果表明:转轮静应力最大值随着流量的升高而增大,且均出现在叶片出水边连接上冠位置附近;转轮最大变形量随着流量的升高而增大,最大变形量出现在下环位置。研究结果为混流式水轮机结构设计及安全运行提供了有效依据。     

混流式水轮机转轮裂纹原因分析及预防措施

混流式水轮机转轮运动中出现的裂纹可分为规律性裂纹和非规律裂纹。绝大多数的规律性裂纹是疲劳裂纹，其断口呈贝壳纹，叶片疲劳来源于作用其上的交变载荷，而交变载荷又由转轮的水力激振引发，这可能是由卡门涡列，水力弹性拓动或水压脉动所诱发，非规律性裂纹，有的呈龟裂纹，有的呈脆性性断口，也有的呈疲劳贝壳纹，多半是由材料不良或制造缺陷造成，预防裂纹的措施，应从水力，结构设计，制造和运行等多方面入手。如：优化水力参数，优选材料，进行静强度计算和疲劳分析，避开共振分析，采用成熟的爆接工艺，减小应力集中，优化运行等，对大型混流式水轮机转轮，应实施可靠性工程，切实抓好精心设计，精良制造，合理运行三大环节。     

某混流式水轮机超出力运行可行性分析

为了解某混流式水轮机超出力运行的可行性,借助ANSYS计算平台,分析额定工况及水头超10％出力工况下流场及结构场进行的数值仿真计算,所得尾水管脉动压力、转轮叶片静应力等均满足规范要求;对尾水管锥管段等关键部位压力脉动监测结果也表明,各观测值均满足设计要求,说明水轮机在一定高水头区域超出力运行是可行的.     

混流式水轮机不锈钢高效转轮裂纹成因探讨

水轮机转轮是水电站发电机组的重要核心部件,制造工艺复杂,整体尺寸庞大,重量多达几十甚至几百吨.混流式水轮发电机转轮目前绝大多数采用不锈钢材质,其生产制造工艺大多采用将叶片铸造成型后,由不锈钢材料的上冠、下环和叶片3大部分组焊,打磨加工而成.由于设计、工艺、加工、运行等因素造成绝大多数不锈钢转轮出现比较严重的贯穿性裂纹....     

石板水电站水轮机长短叶片转轮裂纹分析

石板水电站装有3台35 MW采用长短叶片转轮的高水头混流式水轮机,机组自1997年投入运行以来,水轮机在空化、磨蚀、效率、运行稳定性方面表现出很好的性能,但转轮叶片出现了裂纹。文章从设计、制造质量和运行角度,分析了引起裂纹产生的主要原因,并提出防止裂纹的建议。     

混流式水轮机转轮双向流固耦合力学特性研究

为了解运行过程中的水轮机叶片应力、应变和流场的分布状况及规律,以某高比转速混流式水轮机为例,采用双向流固耦合算法,对其转轮叶片的应力应变情况和内部流动特性进行了研究和计算分析。研究结果表明,在高转速小流量的工况下,叶片的最大变形出现在出水边的下部,出水边中部也出现了比较大的变形,叶片的进水边、出水边与上冠及出水边与下环的相连接处出现了集中应力;在其他工况下,叶片的最大变形出现在出水边的中部,集中应力出现在叶片出水边与上冠的相连接处。该水轮机在正常运行的情况下,转轮叶片的变形很小,对内部流场的影响不大。因此,如果只是对水轮机进行水力性能方面的分析,则没有必要进行双向流固耦合计算。     

大型混流式水轮机转轮裂纹分析与研究

大型混流式水轮机转轮裂纹已成为水电行业一个频发的问题,严重威胁机组运行安全。以瀑布沟水电站2,4,6号机组为例,从水力设计、转轮刚度、材料选择、制造工艺、焊材选择、应力等方面开展分析,确定了应力集中为裂纹产生的主要原因。总结了转轮裂纹处理和防范措施,包括加强日常检查、加装应力释放三角铁、开展机组AGC方式下的稳定性测试等。其经验对同类电站设备缺陷的分析研究及修复控制提供了方向与思路,具有一定借鉴意义。     

长短叶片转轮对低比速混流式机组的性能改善研究

基于计算流体动力学分析理论,对含有常规转轮和长短叶片转轮的混流式水轮机开展全流道数值分析,研究高水头下低比转速混流式水轮机转轮在不同工况下的流动现象,探明转轮加装短叶片对混流式水轮机内部流动状态的影响。在最优工况下,通过对比计算所得的两种转轮内部的流速和压力分布发现:加装短叶片以后转轮叶片吸力面进口附近的涡流得到明显抑制,长叶片的压力负荷得到减弱;增加短叶片后,转轮出口环量减小较为明显,对尾水管流态改善、转轮及机组的能量特性提高有重要作用。研究结果表明,在相同的单位参数下,相比常规叶片转轮,长短叶片转轮改善了转轮进口的入流条件,从而提升了机组的运行稳定性和能量特性,可作为高水头转轮设计的主要方向。     

混流式水轮机叶片流激振动机理的数学描述

诱发混流式水轮机水力振动的机理十分复杂，理论上按振因可将其分为湍流激振、涡激振动、流弹性失稳振动、两相流激振以及平均轴向流诱发振动等因素。这些激振因素可能是单项激励诱发振动，也可能是多因素并存而发振。本文在正交流线坐标系中，使用一般壳体理论及任意拉各朗日一欧拉描述(ALE)，建立了描述混流式水轮机叶片流激振动及其稳定性的数学模型，为从理论上深入分析叶片流激振动的机理及振动特性提供一个分析平台。     

混流式转轮出口流速分布的PIV测试研究

转轮出口速度分布好坏直接影响尾水管内压力脉动的大小,是影响稳定性的内在因素之一。本文针对HL220改型的模型试验,对转轮出口的速度内流分布,采用2D-PIV激光内流速测试设备对锥管内径向面进行了内流测试,给出了最优工况下转轮出口处径向面的流动瞬态分布,清楚显示了尾水管进口位置在最优工况下的流动非定常特征与细节。试验结果表明,PIV内流测试是进行转轮出口流动测量的一种可靠方法,结果为研究尾水管内的流动分布提供了必要的依据和边界条件。     

混流式水轮机上冠空腔结构内部流场及单向流固耦合分析

为研究上冠空腔结构对混流式水轮机水力性能与结构特性的影响,建立了不含上冠空腔结构（No UpperCrown Cavity Structure,NUCCS）和含上冠空腔结构（Upper Crown Cavity Structure,UCCS）的两种混流式水轮机全流道几何模型,基于SST湍流模型、顺序耦合法、预应力模态分析,对NUCCS与UCCS的两种混流式水轮机展开数值模拟和单向瞬态流固耦合计算,发现泄水锥处上冠空腔结构可减少转轮内部二次流动损失。在0.8Q_d、Q_d和1.2Q_d的3种流量工况点,分别对混流式水轮机展开瞬态流固耦合计算,对比研究转轮结构的应力应变特性。研究发现含UCCS时,转轮等效应力和变形量均有减小。在小流量0.8Q_d工况点,转轮结构等效应力及应变较小,其最大变形点位于下环附近。在设计流量Q_d和大流量1.2Q_d工况点,转轮等效应力及应变较大,其最大变形点位于上冠附近。在NUCCS与UCCS的转轮进行预应力模态分析时,发现上冠空腔结构对转轮的模态影响很小。本文研究内容可为提升混流式水轮机设计水平提供一定参考依据。     

混流式水轮机转轮抗磨蚀水力性能研究

转轮严重磨蚀是在多泥沙河流运行的水轮机普遍存在的问题。通过对含泥沙水流在水轮机转轮内流动特性的研究，成功设计出抗磨蚀的混流式水轮机转轮。该转轮已在九子溪水电站运行了4年半时间，未进行过磨蚀修复，机组还增容15.3％。实践证明，磨蚀研究成果及转轮设计思想是正确的。     

混流式水轮机水力设计技术的研究和应用

混流式水轮机是水电站中应用最广泛的机型,其内部通流部件的水力设计影响整座电站的发电效益和稳定运行。本文介绍了近30年来中国水科院水力机电研究所混流式水轮机水力设计技术的研究和应用情况:在国内率先开展混流式水轮机内部流态观测试验研究,建立了水轮机水力稳定性表征形式;创新提出了叶片环量分布模型、叶片翼型计算方法和叶片积叠成型技术;实现了混流式水轮机"量体裁衣"式定制;提出的"丰枯水期双转轮配置"技术攻克了径流式水电站丰枯水期流量差别大、水轮机难以兼顾运行的技术难题;系统总结归纳了水电站技术改造的解决方案和流程。研究成果成功应用于国内外200余座新建和改造电站,取得了巨大的社会经济效益,极大地推动了行业的技术进步。