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。     

混流式转轮内部流场的涡动力学分析

本文通过理论分析,推导了水轮机叶片所受力矩的涡动力学表达式,阐述了用涡动力学分析从全局和局部诊断水轮机内部流动的原理。用数值方法对混流式水轮机的转轮内部流场进行了计算,采用了全三维全流道的湍流计算方法,基于标准k-ε湍流模型和SIMPLEC数值方法,从导叶进口到尾水管出口,包含所有流道在内的整体一次完成计算。根据得到的流场数据,对转轮内部流场进行了涡动力学分析,得到了叶片表面的BVF分布和表面摩擦力线的分布,进行了全局和局部流场诊断,通过和用压力、速度等传统分析方法的对比,结合试验数据,验证了涡动力学分析方法的实用性。     

混流式水轮机转轮的涡量场分析

本文利用涡量场和边界拟涡能流BEF（boundary enstrophy flow）,对混流式水轮机转轮叶片进行了性能评价和优化。在转轮三维湍流数值计算基础上,通过控制拟涡能在叶片表面的分布,能够提高转轮最优工况下的水力效率。优化后转轮叶片表面的拟涡能比原型有明显改善,转轮流场的流动状况也明显改善,说明基于涡量场的分析对于混流式水轮机转轮叶片优化能够起到一定的作用。边界拟涡能流BEF能够从能量角度反映流体和固体之间的相互作用关系。     

混流式水轮机转轮内部流动的动力学特征和分析

混流式水轮机转轮内流是复杂的非定常三维湍流流动,由于结构上的原因,转轮在非设计工况下工作时会形成不稳定流场,产生三维非定常的附面层分离,同时进一步形成贯穿整个流道的叶道涡,影响转轮的运行稳定性.目前,转轮内流场的研究还只是基于通过数值模拟对速度场和压力场进行观察和分析,但对于各种分离流动机理性研究还做得不够深入.非线性动力学主要研究非线性动力系统中各种运动状态的定性和定量的变化规律,以及系统的长时间演化行为,其可以用于流体旋涡和分离流动机理分析.本文将通过对一个模型转轮数值模拟结果的动力学特性分析,对混流式水轮机非设计工况运行时内流分离和失稳的破坏形式加以分析.     

叶片几何参数对水轮机稳定性的影响

本文主要从水力设计出发 ,根据叶片几何参数的变化 ,在不同工况下 ,利用CFD技术对叶片的压力分布、速度矢量变化、流线分布和叶片出水边环量变化的情况进行了分析。并将CFD分析的结果与模型试验中转轮涡带、叶片脱流情况及叶片应力计算结果进行了对比。探讨了叶片进口冲角对叶片头部脱流的影响、叶片出水边环量变化对转轮出口涡带的影响和叶片形状对叶片应力分布情况的影响。最后总结了叶片几何参数的变化对水轮机稳定性的影响     

叶片安放角分布规律对冷却塔用混流式水轮机转轮性能的影响研究

基于叶片骨线积分方程,采用逐点积分法针对三种不同叶片安放角分布规律设计了冷却塔用低比转速混流式转轮叶片。通过全流道数值模拟,分析了叶片安放角分布规律对设计转轮的压力分布、尾水管涡核分布及水轮机的能量特性的影响。研究结果表明,最优工况下,三个水轮机效率基本一致,但是叶片表面压力分布随着叶片安放角分布规律不同呈现明显的差异;在小流量工况下,下凹型叶片安放角分布规律设计的转轮效率较高;在大流量工况,按上凸型叶片安放角分布规律设计的转轮单位出力较大;设计工况下,线性分布的叶片安放角分布规律设计的转轮出流相对较好。     

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。     

水轮机转轮叶片力学分析研究

水轮机转轮叶片受力复杂,常发生疲劳裂纹,影响机组输出效率,甚至产生部件破坏而影响运行安全。为此,本文采用单向流固耦合方法计算水轮机转轮叶片所受应力,分别构建静力学和动力学模型,采用静力学分析和模态分析识别水轮机转轮叶片应力状态及变形情况。分析结果表明:水轮机转轮叶片的长、短叶片共振区域多位于出水边中部,其最大变形量分别处于[2.628 3,4.705 8] mm和[1.622 6, 4.038 3] mm范围内,这些区域在水轮机叶片的裂纹检修、维护保养和设计改进时需要重点关注。     

轴流转桨式水轮机轮缘间隙空蚀的试验研究

本文对轴流转桨式水轮机轮缘间隙流动进行试验研究，咩细研究了不同工况下轴流转桨式水轮机轮缘间隙流动的空蚀形态。受桨叶角度和开度的影响，轮缘间隙流动有五种的空蚀形态，这几种空蚀形态随开度的变化，可能有一种或两种同时出现。其中侵蚀危害性最严重有Ⅰ、Ⅱ和Ⅴ三种空蚀形态。在负的桨叶角度，协联工况的左边运行时，在叶片的背面轮缘处产生第Ⅰ中泄漏涡带，同时在叶片进口正面头部轮缘处产生泄漏流动和二次流动漩涡相互作用所引起的小面积的强烈空蚀空泡为第Ⅱ种，它是叶片头部缺角的主要原因；在正的大桨叶角度、大开度情况下，间隙泄漏流动主要发生在叶片的背面轮缘处尾部第Ⅴ种空蚀形态，泄漏涡带与主流相互作用形成一个长长的涡带扫射下部转轮室，是叶片背面尾部和转轮室空蚀破坏的主要原因。     

混流式水轮机转轮设计方法改进

在混流式水轮机转轮设计时,其轴面流动一般按一元或二元假设计算,沿转轮进、出口边的环量分布按等值考虑,实测结果表明其轴面速度介于一元二元假设之间。转轮进、出口的环量分布不为常数,下环处大,上冠处小,文章建议采用介于一元二元之间的轴面流动计算方法,并介绍了数学模型,并建议在转轮出、出口按不等环量分布,经实际使用,这种改进取得了较满意的效果。     

可调叶片混流转轮全三维反问题计算方法研究

本文提出一种全三维反问题计算方法，将速度分解成周向平均和周期性脉动分量，用Fourier变换将全三维问题转化成多个二维问题求解，分别用涡及源汇模拟叶片骨线及叶厚的作用，并应用于叶片可调混流泵的转轮设计，计算表明该方法可以用于该类泵型的优化设计。     

海水淡化高转速泵作透平的压力脉动分析北大核心CSCD

离心泵反转作透平是海水淡化能量回收一体机的核心动力部件之一,运行时的压力脉动是机组产生振动和噪声的主要因素之一。本文以高转速离心泵反转作透平为研究对象,采用SAS-SST-CC湍流模型,对其进行整机流道三维非定常流动数值计算,通过流场分析及压力脉动频谱分析,探讨该透平在运行时的非定常流动特性。非定常数值计算结果显示,蜗壳内多测点的压力脉动主频均为叶片通过频率,说明蜗壳内压力脉动主要由转轮和蜗壳隔舌间的动静干涉引起;旋转转轮域内8个叶片间流道中各布置了6个测点,各相似位置测点间的压力脉动峰峰值最大相差10.3%,说明对称的旋转转轮内的流动分布严重不均,这些旋转测点的脉动频率主要为叶频8倍频附近的主频或次主频,说明转轮与蜗壳间的动静干涉、叶片流道间的漩涡是引起转轮内压力脉动的主要因素,且局部漩涡引起的压力脉动强于转轮动静干涉造成的。结果表明,转轮内压力脉动比蜗壳内明显剧烈,旋转转轮内的压力脉动是机组振动主要水力原因。     

水泵水轮机双向流动控制优化设计

本文建立了能够控制双向流动性能的水泵水轮机在线优化设计模型.模型中采用全三维反问题方法设计转轮叶片,采用叶型逼近方法求解水轮机工况和水泵工况的流场.综合考虑双向流动的能量性能和空化性能,提出了综合性能评价函敫.采用单纯形加速方法,对一高水头水泵水轮机进行优化设计,得到了综合流动性能较好的转轮.全流道的定常湍流计算结果表明,优化后两个流动方向的转轮效率都提高,空化系数降低,证明了优化方法是可行的.模型可以实现计算机的在线优化计算,减少了人工干预.     

混流式转轮上冠型线变化对水轮机水力性能的影响

为了获得水电站水轮机技术改造中混流式转轮上冠型线变化时水轮机水力性能的变化规律,本文以某混流式水轮机模型转轮为研究对象,在原转轮上冠型线的基础上,提出了四种改型的上冠型线方案,采用CFD方法对不同上冠型线的转轮内部流动特性、能量特性、空化性能及过流能力进行了数值模拟和对比分析。结果表明:上冠型线的适当上抬可以增大转轮的过流能力,并且改善转轮在大流量工况下的能量特性和空化性能;但过高的上冠型线对小流量工况下的叶道涡的位置和强度有负面影响;与原转轮相比,方案4的效率略有提高;小流量工况时,上冠型线越高,叶道涡的位置越靠近叶片头部,且涡的强度越大,从而使转轮效率降低;大流量工况时,上冠型线上抬可能导致叶片进口靠上冠部分出现回流,进而导致压力分布不均匀;上冠型线的改变对最优工况下转轮效率和内部流动特性影响较小;可以为水轮机技术改造中转轮的改型设计与性能预估提供必要的参考。     

水轮机模式液力透平流道式导叶的优化

由于水轮机模式液力透平级间导叶水头损失占比高达40%,需要对液力透平级间导叶进行研究。在可选的级间导叶中,流道式导叶正反导叶连为一体,流道相对独立,是一种水力性能较好的级间导叶。本文基于水力原动机理论,将水流环量概念贯穿液力透平流道设计全过程,设计了与水轮机模式液力透平转轮相匹配的流道式级间导叶,并采用正交试验的优化算法,对水头影响较大的因素,包括导叶包角φ、正导叶出口角 、反导叶宽度 、流道外壁最大直径 ,各取4个水平进行正交试验方案的设计。通过CFD数值计算,分析各个方案的性能,找出了各因素对导叶性能的影响规律,在此基础上获得了效率较高的导叶模型,并研究了水力性能、叶片表面压力分布及叶片内部流动规律。研究表明：各个参数对效率的影响力中, 最大, 最小;对水头的影响力中, 最大,φ最小。优化后的模型在设计工况点效率提高了5.83%,应用水头提高了7.15%,级间导叶损失降低了1.16%,导叶表面压力过渡更加均匀,叶片内部水流流态更加平稳,满足液力透平对于高余压液体的能量回收要求。本研究可以为水轮机模式液力透平流道式导叶的选型和优化提供参考。     

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。     

贯流式机组桨叶与导叶全三维联合设计

为了充分反映水流经过导叶后的流态对桨叶入流的影响,本文建立了灯泡贯流式机组桨叶和导叶的全三维联合反问题计算模型。在包括桨叶和导叶的计算域中,求解联立的控制方程,同时设计得到了导叶和桨叶的空间叶型。采用联合设计和单独设计模型分别设计了一低水头贯流式机组的桨叶和导叶,并在设计工况下对其进行了全流道湍流数值模拟。性能预估结果表明,与单独设计相比,联合设计的桨叶进口边附近压力分布得到改善,导叶和桨叶段的联合损失减小,转轮效率提高。     

混流式水轮机转轮非设计工况特性分析

本文利用计算流体力学(CFD)手段,对一个混流式水轮机模型转轮叶片在非设计工况下的特性进行了分析.在三维湍流数值模拟计算的基础上,研究了叶片上不同部位随着工况不同而产生特性参数的变化情况,考察了不同来流角度和叶片进口角度、叶片几何形状之间的关系对其性能的影响.计算结果和试验结果的对比,说明了CFD计算过程和结果是比较准确可靠的,从而可以深入分析变工况下流动参数和叶片几何形状之间的耦合关系及其对转轮特性的影响.     

轴流式水轮机转轮体的接触应力分析

轴流式转轮体与叶片枢轴相配合区域的应力状况是转轮体设计中关注的焦点。本文应用新开发的ＳＤＲＣ／Ｉ－ＤＥＡＳ程序的接触分析功能，对轴流式转轮体的接触应力进行了分析，所得结果比不考虑接触更为合理，对指导转轮体的设计有益。