基于CFD的水轮机全流道水力振源特性分析

基于CFD数值分析方法,结合工程实例,对水轮发电机组额定工况下的多振源水力振动特性进行了分析。分析结果表明,额定工况下,蜗壳、导叶和转轮部位脉动压力呈均匀对称分布,蜗壳部位的脉动压力最大;脉动压力的时域特征较为复杂,转轮进口、叶道间、转轮出口的压力值依次递减;脉动频域主高频均为2. 5 Hz,在转轮进口处还存在53. 4 Hz的副高频;转轮的偏移幅值大于转子;模拟轴心偏移与实测轴心偏移数值结果吻合,可为水轮发电机组水力振动问题的研究与控制提供参考。     

混流式水轮机大负荷区压力脉动陡升问题研究

针对电站水轮机出现的大负荷区压力脉动陡增现象,通过电站模型和电站实测压力脉动实验结果,结合电站分步骤改型措施和对水轮机CFD结果分析认为,水轮机大负荷区压力脉动陡升问题与转轮叶片进口设计有直接关系,不理想的转轮叶片进口设计会导致水轮机在大负荷时叶片进口正面脱流,产生水轮机压力脉动陡升现象。在实际中可以通过改善水力和其它方法消除或减小水轮机压力脉动值,提高机组运行的安全稳定性。     

尾水管压力脉动试验分析

借助于模型转轮流态观测系统，对模型转轮尾水涡带宽度的变化规律进行了研究，并与压力脉动测量值进行了比较，研究试验中各工况参数，涡带宽度，压力脉动之间的关系，从而进一步分析水轮机的振动特性，其中发现了尾水压力脉动平缓区现象，这在研究水轮机的水力振动现象中还是新发展。     

混流式水轮机水力设计方法

减小压力脉动，避免空化及减少泥沙磨损是设计中水头混流式水轮机的主要课题。要设计一种理想的转轮，其运行范围应比正常设计水头变化宽得多并且需要的维护应最小。简述了应用水力流志设计参数、ＣＦＤ辅助分析及模型试验的方法，力求达到上述目的。     

大型双向轴伸贯流泵水力性能分析

为深入分析轴伸贯流泵装置水力瞬变特性,建立贯流泵全过流系统三维模型,考虑压力沿水深变化进出口边界和重力项影响,采用PISO压力—速度耦合算法进行数值模拟计算,分析不全流道流态、转轮区应力集中及流态情况以及针对转轮出口、出水流道截面不同测点压力脉动时域、频域分析。计算结果表明:全流道流态顺畅,无不良紊乱。叶片应力分布均匀,最大应力出现在叶片压力面进水边处。对于压力脉动,与转轮中心同高处压力幅值最大,截面最上方压力幅值最小。转轮出口及流道出口处压力脉动频率皆为转轮转动频率8倍。     

某低水头混流式水轮机叶道涡特性数值分析

采用数值模拟手段,研究低水头混流式水轮机叶道涡的水力特性,依托某低水头混流式水轮机模型转轮试验结果和数值计算结果,选取三个单位转速下出现叶道涡的工况,基于N-S方程及SST湍流模型对水轮机进行单流道、全流道、定常和非定常流动数值模拟,分析叶道涡复杂流动的水力特性和压力脉动。结果表明,在叶道涡初生工况,叶片上冠正背面均有部分脱流现象,随着水流在叶片内部运动,转轮出口处,靠近上冠区域有较明显的脱流漩涡和失速区,这部分区域也是叶道涡产生的集中区域。分析转轮内部各个监测点的压力脉动数据,发现转轮内部各个测点会出现有规律的1倍转频的低频脉动和24倍高频脉动,1倍低频脉动与转轮自身转速有关,24倍高频脉动与活动导叶数量有关,是动静干涉影响的结果。测点位置的流态越差,该测点的压力脉动幅值会越高。     

水力机械转轮流固耦合特性分析与设计要素研究

水力机械种类繁多、流动复杂,转轮流固耦合动力特性及如何考虑设计要素对机组安全稳定运行极为重要。论文基于现代水力机械流动分析技术及流固耦合特性分析方法,对转轮的关键设计要素进行探讨,并展示了本课题组在转轮内部流动物理现象如漩涡、空化、压力脉动、含沙水流运动等的模拟、分析、预测方面的技术方法及成果,以及转轮共振和疲劳破坏的流固耦合动力特性分析案例,并对新电站机组选型设计、老电站改造、新型机组研发方面的工程应用进行分析,同时展望了多场计算技术、转轮寿命预测、信息共享平台建立等方面的发展前景。     

基于CFD的混流式水轮机优化设计及流动特性分析

为提高水轮机运行稳定性,在设计中综合采用提高设计水头、扩大活动导叶分布圆直径、加厚叶片等方法优化转轮水力参数,利用商业CFD软件,基于SST k-ω湍流模型分析改造前后内部流动特性,使新转轮在额定工况及低水头小负荷区域的流道内无明显脱流,水力性能显著改善。非定常计算结果表明,新转轮压力脉动性能良好,在低负荷区域受涡带影响较大,但幅值较低,能够满足长期安全稳定运行。     

水泵水轮机泵工况压力脉动和转轮受力特性

为研究水泵水轮机在泵工况下的内部流态变化对压力脉动和转轮叶片受力的影响,采用 SAS－SST 湍流模型对某一模型水泵水轮机的多个非设计工况进行非定常数值模拟,分析了水轮机 内部流态对导叶与转轮之间无叶区、尾水管内的压力脉动和转轮叶片径向受力的影响。结果表明: 在流量为 40% ～80%设计流量时,导叶区内产生旋转失速,转失速涡团初生于固定导叶进口,并随着流量的降低向活动导叶进口发展,且覆盖区域逐渐增大。旋转失速使压力和过流沿周向不均匀分布, 导致压力脉动和转轮径向受力波动大幅上升。在40%设计流量时,失速涡团发展最为充分,无叶区 压力脉动和转轮受力波动的低频分量幅值最高。旋转失速产生的低频脉动可向尾水管传播,形成的低 频压力脉动幅值约为无叶区低频脉动幅值的10%。当流量低于 40%设计流量时,导叶区旋转失速消失,复杂的涡结构形成的压力脉动低频成分没有周期性。此外,转轮进口的流动分离使尾水管内产生复杂的回流涡结构,导致尾水管内形成频谱丰富的压力脉动; 流量降低使转轮进口回流涡结构的湍动 能增加,导致尾水管内压力脉动幅值大幅上升。小流量工况下,转轮进口的涡结构演变是转轮径向力波动的主要影响因素。     

水泵水轮机泵工况压力脉动和转轮受力特性

为研究水泵水轮机在泵工况下的内部流态变化对压力脉动和转轮叶片受力的影响,采用SAS-SST湍流模型对某一模型水泵水轮机的多个非设计工况进行非定常数值模拟,分析了水轮机内部流态对导叶与转轮之间无叶区、尾水管内的压力脉动和转轮叶片径向受力的影响。结果表明:在流量为40%～80%设计流量时,导叶区内产生旋转失速,转失速涡团初生于固定导叶进口,并随着流量的降低向活动导叶进口发展,且覆盖区域逐渐增大。旋转失速使压力和过流沿周向不均匀分布,导致压力脉动和转轮径向受力波动大幅上升。在40%设计流量时,失速涡团发展最为充分,无叶区压力脉动和转轮受力波动的低频分量幅值最高。旋转失速产生的低频脉动可向尾水管传播,形成的低频压力脉动幅值约为无叶区低频脉动幅值的10%。当流量低于40%设计流量时,导叶区旋转失速消失,复杂的涡结构形成的压力脉动低频成分没有周期性。此外,转轮进口的流动分离使尾水管内产生复杂的回流涡结构,导致尾水管内形成频谱丰富的压力脉动;流量降低使转轮进口回流涡结构的湍动能增加,导致尾水管内压力脉动幅值大幅上升。小流量工况下,转轮进口的涡结构演变是转轮径向力波动的主要影响因素。     

岩滩水电厂2号水轮机转轮更换后运行状况分析

通过对2号机转轮更换前后的运行工况及参数的分析比较,经优化设计和制造工艺后的A773b转轮解决了原2号机A296转轮的与厂房强振、裂纹严重及压力脉动超标问题,转轮各项性能指标均能满足电站要求。     

混流式水轮机转轮倒置安装轴向水推力的计算

目前大中型水电站混流式水轮机轴向水推力大，尾水管中涡带所产生的压力脉动常引起机组振动。如水轮机转化倒置安装，将向下的轴向水推力改为向上，可以抵消机组转动部分的重量；如改变尾水管形状，可以消除涡带压力脉动，减小机组振动。以漫湾电站为例，经过计算说明正常安装与倒置安装轴向推力轴承负荷可大大减小。但倒置安装后其结构问题尚需进一步研究。     

三峡左岸电站6号机组强迫补气试验研究

针对三峡水电厂左岸6号机组真机补气试验，研究了补气量的测量，分析了强迫补气对摆度、振动和水压脉动的影响，讨论了顶盖补气和底环补气对机组开停机的影响，探讨了补气在机组启动过程中对转轮应力的影响效果。     

水泵水轮机甩负荷过渡过程中的压力脉动和转轮受力

水泵水轮机甩负荷过渡过程中,压力脉动和转轮受力剧烈变化,导致事故频发。本文采用动网格技术对某模型水泵水轮机的甩负荷过渡过程进行全流道三维数值模拟,分析了水轮机压力脉动和转轮受力变化特性及其演变的内流机理。结果表明:甩负荷过渡过程中,转轮进口回流的出现和发展显著增加了无叶区内流体的湍动能,使导叶与转轮之间的动静干涉明显增强,导致压力脉动幅值急剧上升,其最大值达到初始阶段的5倍以上;与此同时,转轮进口局部产生的回流使无叶区内的湍动能和压力脉动强度在高度方向不均匀分布;此外,转轮进口回流发展使叶道内流态分布失衡,产生低频旋转失速,导致转轮叶片所受力矩和径向力的波动幅值快速上升,最大波动幅值分别达到初始阶段的10倍和60倍,而尾水管涡带对其的影响处于次要地位。     

沙坡头水电站灯泡贯流机组水轮机转轮模型验收试验

通过对沙坡头水电站水轮机的模型验收试验以及试验结果与合同规定的水轮机性能参数保证值的分析、对比表明，沙坡头水电站水轮机的能量指标属于当前国际先进水平，其模型水轮机最高效率为93．87％，高于合同值0．02％；加权平均效率为93．303％，高于合同值0．013％；额定工况点效率92．31％，高于合同值0．09％。通过试验不仅对电站今后运行有一定的参考意义，而且对同类机组在今后国内的设计、制造以及研究提供了可借鉴的特性参数。     

张河湾抽蓄电站3号机组异常振动分析与处理

张河湾抽水蓄能电站3号机组在更换水泵水轮机转轮后,进行了一系列的调试试验。在准备甩75%负荷试验的升负荷过程中出现了异常的振动现象,异常振动主要频率成分为202 Hz和196.5 Hz。通过对压力脉动和顶盖振动在时域、频域及时频联合分析后,得出异常振动是转轮叶片出水边的卡门涡频率与转轮固有频率相接近而引发的水力共振现象。后来对叶片出水边进行了修型处理,处理后卡门涡诱发的共振现象消失。     

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。     

水轮发电机组推力轴承油槽内流动及传热特性研究

为解决推力轴承瓦温过高的问题,采用数值模拟方法分析了某水轮发电机组推力轴承内循环冷却系统油槽内润滑油的流动及传热特性。结果表明,靠近镜板处油流速度大,远离镜板位置油流速度小;镜板内缘压力最低,沿着推力轴瓦径向向外压力逐渐增大;初始瓦温、初始油温一定时,随着水温降低,整体油温下降幅度并不大。根据研究结果,对推力轴承内循环冷却系统提出适当增大冷却器U型管直线段的长度、增大冷却器管径、提高冷却水的压力和流量、加大油冷却器铜管间距的改进建议。     

Numerical predictions of pressure pulses in a Francis pump turbine with misaligned guide vanes

Previous experimental and numerical analyses of the pressure pulse characteristics in a Francis turbine are extended here by using the unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes equations with the shear stress transport （SST） turbulence model to model the unsteady flow within the entire flow passage of a large Francis pump turbine with misaligned guide vanes at the rated rotational speed. The S-curve characteristics are analyzed by a combined use of the model test and the steady state simulation with the aligned guide vane firstly. Four misaligned guide vanes with two different openings are chosen to analyze the influence of pressure pulses in the turbine. The characteristics of the dominant unsteady flow frequencies in different parts of the pump turbine for various misaligned guide vane openings are investigated in detail. The predicted hydraulic performance and the pressure fluctuations show that the misaligned guide vanes reduce the relative pressure fluctuation amplitudes in the stationary part of the flow passage, but not the runner blades. The misaligned guide vanes have changed the low frequencies in the entire flow passage with the change of the pulse amplitudes mainly due to changes in the rotor-stator interaction and the low frequency vortex rope flow behavior.