垂直轴风机叶片覆冰数值模拟及其气动性能研究

研究升力型垂直轴风机叶片的覆冰特性,为风机的防冰、除冰系统研发提供帮助。文章对垂直轴风机叶片的雾凇覆冰物理过程进行了分析,建立了风机叶片覆冰的数值计算模型。通过SST k-ω湍流模型求解旋转叶片周围的空气流场,利用拉格朗日法获得过冷却水滴的运动轨迹及碰撞情况,结合覆冰时间推进法得到叶片表面的覆冰形貌,并通过流场计算分析覆冰对风机气动性能的影响。利用该计算模型研究了不同叶片翼型、叶片数量以及叶尖速比λ对垂直轴风机叶片覆冰的影响。结果表明:当风机的λ增大时,风机叶片表面的覆冰更多的向叶片前缘尖端区域集中,叶片后缘的覆冰量减少;在同一覆冰条件下,不同叶片翼型、叶片数量和λ对垂直轴风机的整体覆冰量、单个叶片的覆冰量以及叶片表面的最大覆冰厚度均产生重要影响;不同叶片翼型、叶片数量和λ的风机的静态扭矩特性受覆冰影响差异大。     

2 MW风电机组叶片防除冰试验与能耗评估

文章针对凝冻积冰环境下风电机组叶片气热法防除冰技术展开现场试验,验证其防除冰效果及加热能耗。首先,分析了叶片表面结冰复杂过程并模拟计算NACA64618翼型表面积冰分布;然后,结合2 MW风电机组构建叶片主动气热法防除冰系统并实施现场示范工程;最后,开展了风电机组叶片静态除冰试验、防冰试验及防冰生产运行试验,辅助全景红外热成像检测分析叶片防除冰效果及加热能耗。试验结果表明,在冰厚为30 mm并控制加热温度为50℃的前提下,持续加热2 h后叶片表面开始融冰脱落,加热能耗功率不足50 kW。可为风电机组叶片气热法防除冰的工程应用系统设计提供参考。     

广西500 kV输电线路覆冰倒塔原因分析

以500kV柳桂线倒塔事故段为例进行荷载模拟计算分析,得出在不同覆冰厚度时导地线和光缆断线原因,以及不均匀覆冰和覆冰断线工况下铁塔受力情况,由计算结果分析了该事故段铁塔倒塌的事故原因,并对500kV输电线路提出加固改造和系统规划建议。     

一种燃气轮机进气防冰控制系统设计

为了避免燃气轮机进气系统过滤器在低温高湿环境下发生结霜结冰导致的进气系统压损增加以及影响机组安全稳定运行等问题,基于广泛应用的压气机抽气加热的防冰方式,根据低温高湿环境的恶劣程度、进气滤芯的结冰情况以及机组运行状态,全面分析并量化总结了防冰激活条件及除冰激活条件。基于不同的激活条件,设计了防冰执行机构的动作逻辑、输入设定值拟合以及防冰控制阀开度控制器。结合防冰控制过程中机组可能面临的风险及故障,阐述了报警及卸负载停机的保护条件。以某型燃气轮机作为研究对象,进行了相关的性能测试。实践表明,该防冰系统能够稳定高效运行,提高进气温度并降低进气湿度,有效避免进气滤芯湿堵现象的发生。     

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。     

大功率汽轮机叶轮轮缘传热系数的研究

提出了大功率汽轮机叶轮轮缘总传热系数的计算方法.介绍了汽轮机动叶片叶身平均对流换热表面传热系数和叶片流道下壁面对流换热表面传热系数的计算方法和计算公式.把汽轮机叶片对叶轮的传热简化为肋片传热,使用肋片传热模型计算汽轮机叶片流道的等效传热系数,采用圆筒壁模型计算汽轮机叶轮轮缘的总传热系数,并给出了应用实例.在汽轮机转子的温度场与热应力场有限元分析中,该计算方法为确定叶轮轮缘的传热边界条件提供了依据.     

输电线路的覆冰研究与分析

输电线路覆冰及其引起的各类事故严重危害电力系统的安全运行。文中分析我国输电线路重大覆冰事故,并介绍输电线路覆冰形成原因、影响因素、覆冰对输电线路的危害和防覆冰及除冰方法。新研究的涂料对防止覆冰是有一定作用的,防冰涂料要有憎水性、憎污性和易剥离等性质;还总结覆冰涂料应有的性质。激光除冰是利用其作为热源除冰,现在还处于理论和试验阶段,研究二氧化碳激光器除冰情况,提出激光除冰的方法、研究方向以及应用前景。     

双分裂导线表面水滴撞击特性的数值模拟

为研究双分裂导线的覆冰问题,基于覆冰机理采用拉格朗日法对双分裂导线表面的水滴撞击特性进行数值模拟,分析了风速、水滴直径、子导线截面直径、分裂间距等参数对双分裂导线表面水滴撞击特性的影响。计算结果表明,风速对小直径水滴的撞击系数影响显著,当水滴直径小于45μm时撞击系数增长较快,同等条件下选择较大直径型号的双分裂导线防冰性能优越;分裂间距对双分裂导线表面水滴撞击系数的影响不显著。     

吸能超双疏防覆冰涂层对风机叶片防覆冰影响研究

为了解决风机叶片的覆冰问题,对风机叶片基材涂覆吸能超双疏防覆冰涂层,研究吸能超双疏防覆冰涂层的接触角、滚动角、覆冰减少率、冰粘结力、低温脱冰性能和表面温升。通过实验表明:吸能超双疏防覆冰叶片样板具有超疏水、超疏油性能,覆冰比空白叶片样板减少了55%,水平粘结力比空白叶片样板减少了99%,垂直粘结力减少了89%;吸能超双疏防覆冰涂层表面有温升效果,-2℃环境温度下,晴天天气涂层表面温升为4.2℃,多云天气涂层表面温升为2.4℃,阴天天气涂层表面温升为1.7℃。因此,超双疏防覆冰叶片具有超双疏、减少覆冰量、降低冰附着力和低温脱冰的性能,改善了风机运行中叶片覆冰的问题。     

电网冰灾典型线路段覆冰倒塔分析

在2008年初电网冰灾倒塔调研的基础上,建立了典型覆冰倒塔线路段铁塔、导线和绝缘子的三维模型,考虑档距、高差以及覆冰厚度引起的纵向不平衡张力对铁塔受力的影响,对线路段在均匀覆冰荷载和不均匀覆冰荷载作用下的导、地线张力及纵向不平衡张力进行计算,分析确定了线路覆冰倒塔的破坏模式,揭示了线路覆冰倒塔的主要原因。分析计算结果与现场实际破坏情况相吻合,表明导线覆冰过载以及覆冰产生的纵向不平衡张力是线路覆冰倒塔的主要原因。     

Improvement of part-load performance of gas turbine by adjusting compressor inlet air temperature and IGV opening

A novel adjusting method for improving gas turbine (GT) efficiency and surge margin (SM) under part-load conditions is proposed. This method adopts the inlet air heating technology, which uses the waste heat of low-grade heat source and the inlet guide vane (IGV) opening adjustment. Moreover, the regulation rules of the compressor inlet air temperature and the IGV opening are studied comprehensively to optimize GT performance. A model and calculation method for an equilibrium running line is adopted based on the characteristic curves of the compressor and turbine. The equilibrium running lines calculated through the calculation method involve three part-load conditions and three IGV openings with different inlet air temperatures. The results show that there is an optimal matching relationship between IGV opening and inlet air temperature. For the best GT performance of a given load, the IGV could be adjusted according to inlet air temperature. In addition, inlet air heating has a considerable potential for the improvement of part-load performance of GT due to the increase in compressor efficiency, combustion efficiency, and turbine efficiency as well as turbine inlet temperature, when inlet air temperature is lower than the optimal value with different IGV openings. Further, when the IGV is in a full opening state and an optimal inlet air temperature is achieved by using the inlet air heating technology, GT efficiency and SM can be obviously higher than other IGV openings. The IGV can be left unadjusted, even when the load is as low as 50%. These findings indicate that inlet air heating has a great potential to replace the IGV to regulate load because GT efficiency and SM can be remarkably improved, which is different from the traditional viewpoints.     

Design and experimental validation of the inlet guide vane system of a mini hydraulic bulb-turbine

The paper presents a fast design method for the inlet guide vanes of low-cost mini hydraulic bulb turbines. The guide vanes are positioned between two conical surfaces with a common vertex and have constant thickness distribution, except close to the leading and the trailing edges. The conical-walled inlet guide vane row is designed using a quasi-three-dimensional calculation method, by prescribing the angular-momentum distribution along the span at the outlet section of the guide vanes.The meridional through-flow is computed by a streamline curvature method and the blade-to-blade flow by a singularity surface method. The stagger angle and the vane camber are computed to fulfil the required design circulation and zero-incidence flow at the leading edge. The final vane shape is a single-curvature surface with straight leading and trailing edges. To validate the design method, a conical-walled inlet guide vane row nozzle-model with six fixed vanes was designed, manufactured and tested in an airflow rig. Traversing measurements along the circumferential and radial directions were made with a five-hole probe.The experimental results are compared with the prescribed design conditions and with numerical results from the three-dimensional inviscid and viscous flow computed with the FLUENT code.     

基于CFD的双向竖井贯流泵装置水力性能数值模拟

以某泵站双向竖井贯流泵装置为例,采用CFD数值模拟方法对模型泵不同的转轮叶片、叶轮位置及导叶位置方案进行了数值模拟,最终确定了改进泵装置模型结构参数,并分析了改进模型的综合特性和流场分布规律。结果表明,反向工况由于出水流道内无导叶进行导流和能量回收,出现了明显的回流、漩涡区,降低了流道效率,其出水流道流态较差,且因前置导叶的存在,恶化了叶轮进口水流条件,同时降低了装置过流能力与叶片做功能力,造成反向工况泵装置效率明显低于正向工况。     

基于CFD的导叶进口角对轴流泵水力性能的影响

为研究后置导叶进口安放角对轴流泵水力性能的影响,在常规导叶基础上将导叶分为进口段和出口段两部分,运用数值模拟的方法研究了5种导叶进口安放角对轴流泵泵段水力性能的影响。结果表明,轴流泵在偏离设计工况下运行时,通过调节导叶进口角度可以减小导叶进口冲角,改善导叶体内流态。在后置导叶原设计进口角度的基础上,沿旋转轴顺时针调节适当角度可提高大流量处的泵段效率,逆时针调节适当角度可提高小流量处的泵段效率。不同导叶进口角主要是保证多种工况下水流无撞击进入导叶室,对泵段的其他过流部件水力性能基本无影响。研究成果有助于轴流泵导叶性能的优化设计。     

Heat Transfer Enhancement in a High Aspect Ratio Channel with System Optimization

Outdoor digital information display (DID) installed near public areas has become a very popular medium of communication. Cooling performance of an outdoor DID system has become a critical issue from increasing system temperature due to heat generation at the back panel, in addition to irradiation from the sunlight. Gap distance between the heating plate and glass could control the main heat transfer rate considering its positive or negative effect on the pressure and temperature gradient at the wall. Additional reduction of maximum surface temperature can be achieved using tapered geometry with increased inlet gap distance, as well as guide vane installation at the system exit to lower pressure loss. Full system optimization has also been performed, including correlation for tapered geometry and guide vane effect. With system optimization, we can find the optimal gap clearance of parallel or tapered geometry for best performance.     

导叶开度对混流式水轮机转轮内部流态的影响

基于数值模拟方法,以梯级水光蓄互补联合发电系统示范工程中的猛固桥电站混流式水轮机为研究对象,对水轮机在不同特征水头、不同导叶开度工况下转轮叶片表面受力及流道内流场特性进行研究,分析导叶开度改变对水轮机转轮内流态的影响规律。结果表明：导叶开度对于混流式转轮进口流态的影响较大,导叶开度越小入流速度波动程度越大,来流对叶片头部冲击越大,在进口处产生严重的冲击损失;随导叶开度减小,转轮叶片表面等压线与进口边夹角增大,在上冠交接区域产生小三角区低压,使转轮流道出口更易产生空化损失。     

流道几何参数对低压导向器气动性能的影响

采用数值计算方法对某型低压导向器原型和改型进行了数值模拟,导向器的子午流道具有一个较长的机匣且过渡段且机匣段具有较大外壁扩张角,气流易在此处分离恶化导向器叶栅进口流动。数值研究表明：机匣外壁和叶型的优化设计改善了导向器的气动性能,在计算域初始条件相同的情况下,导向器能量损失显著降低。     

离心压缩机进口导叶叶型的进一步研究

为提高离心压缩机进口导叶的质量流量调节能力,以原研究成果为基础对导叶叶型做进一步研究。通过数值模拟计算,对不同厚度弯叶型和不同弯度位置导叶的质量流量调节能力进行对比分析。结果表明,虽然减小弯叶型的厚度可扩大其质量流量调节范围,却增加了流动损失,使压缩机效率下降;将弯叶型最大挠度位置向后移,可有效提高导叶的质量流量调节能力,且其产生的损失对压缩机性能影响不大。最终选择出适合于导叶进行质量流量调节的最佳叶型,减少了压缩气体的排空浪费。     

新型变几何导叶试验研究

本文通过一系列平面叶栅试验,得出轴流压气机可变尾缘进口导叶的气动特性。该特性优于可转导叶的特性,损失系数小于可转导叶。提出变尾缘叶栅几何参数选取原则及其最佳值范围。按最佳参数构成的这种叶栅,气流转折角和损失系数很接近常规大弯度光滑叶型的数值,宜代替可转导叶作为压气机进口导叶。试验结果可直接应用于设计。     

基于CBS有限元的导水机构内部流动数值模拟

基于CBS有限元法对水轮机全流道进行离散分析,利用多物理场耦合软件模拟了内部流场,获得了水轮机导水机构内部压力与速度分布图,并通过计算结果图得到了导水机构内部的流动特性。