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.     

超低水头轴流式水轮机CFD优化及流动特性研究

结合某水电站改造要求,研发了一种设计水头为2.75 m的超低水头轴流式水轮机并对其性能进行优化,以达到有效利用低水头水力资源的目的。基于不可压缩连续方程及雷诺时均Navier-Stokes方程,采用Spalart-Allmaras湍流模型和SIMPLEC算法对轴流式水轮机进行三维全流场数值模拟,分别分析了轴流式转轮叶片翼型、轮毂比、导叶开度及安放角对水轮机性能的影响,并对最优模型进行实测验证。结果表明,在满足设计水头为2.75 m的情况下,选用配置叶片B、轮毂比为0.30、叶片相对安放角为-2°的水轮机,当导叶相对开度为0°时,装置水力损失最小,最高效率达83.7%,且数值模拟计算所得出力与实测结果误差小于099%,表明基于CFD的数值模拟对超低水头轴流式水轮机的性能预测精度较高。     

多泥沙高水头水电站混流式水轮机导叶泥沙磨损数值研究与试验

为研究新疆夏特高水头水电站水轮机导叶的泥沙磨损情况,采用标准k-ε湍流模型和Particle模型,在小流量工况下开展了HLA351-LJ-275水轮机导叶流体域的固液两相流数值模拟,分析其内部流动特性,并结合该模型水轮机单流道泥沙磨损试验得到导叶磨损的主要部位和磨损程度。结果表明:固定导叶磨损量较小,活动导叶磨损部位主要集中在头部和尾部,磨损量较大。结合数值计算与试验结果,通过其泥沙磨损特征规律,拟合并建立了固定导叶及活动导叶的磨损量公式,对多泥沙高水头水电站导水机构磨损寿命的预估和导水机构运行维护具有重要意义。     

低比速水轮机转轮副叶片对水力性能的影响

基于Numeca的数值模拟功能,以N-S方程为控制方程,采用Sparlart-Allmaras湍流模型和结构化网格,分别对混流式水轮机有无副叶片情况下长短叶片、活动导叶、固定导叶等过流部件的流场进行三维数值模拟,并利用Numeca自带的后处理模块CFView对比分析了两次模拟结果的速度矢量分布、压力矢量分布和流场状况。结果表明,副叶片可使流场的速度矢量、压力矢量分布更加均衡、过流能力更好、水力效率更高。     

双级贯流式超低比转速水轮机数值模拟优化

通过数值模拟等手段开发了一种双级贯流式超低比转速水轮机,利用循环冷却水出口的富余能量推动水轮机转动带动风扇旋转制冷,以达到节能目的。以富余流量0.823 m3/s的水轮机为例,以Fluent软件为平台进行计算分析,对双级贯流式超低比转速水轮机的叶片、导叶形式及其安放位置进行了优化,并采用Navier-Stokes方程、SIMPLEC算法对水轮机进行全三维湍流数值模拟,获得了水轮机内部流动细节,预估了水轮机的性能。计算结果表明,优化后的叶片及导叶表现出较高的效率。     

顶盖减压管径和导叶转角对混流式水轮机轴向水推力的影响

轴向水推力过大是引起混流式水轮机推力轴瓦烧损的主要原因之一。针对某过流泥沙含量较大的水轮机,建立其主流道、上冠流道、下环流道的CFD仿真模型,在ANSYS FLUNET中采用MIXTURE多相流模型和RNGκ-ε两方程模型对各流道含沙水湍流流场进行稳态求解,分析了顶盖减压管径和活动导叶转角对水轮机轴向水推力的影响。结果表明,轴向水推力随泥沙含量增大近似线性增大,随顶盖减压管径的增大或导叶转角的减小而减小,且不同泥沙含量下的减小量接近。     

双列叶栅扩压器几何参数对离心式压气机特性影响的试验研究

近年来,通过在45GP130高压比增压器和320P 增压器上对双列叶栅扩压器的试验研究,作者提出了一些对双列叶栅扩压器的规律性认识。在设计试验中发现。两列叶栅匹配位置、间隙、重叠度、扩压器的中径、弦长比诸参数对压气机性能影响较大。对装有双列叶栅扩压器的320P_4增压器作了与16V280Z 柴油机的匹配试验。试验结果证明,双列叶栅在增压器上的应用是有效的。目前,串联技术应用于离心式压气机叶片扩压器设计,尚无一套成熟的设计方法。本文提供的试验数据可以作为进一步研制双列叶栅扩压器的参考和借鉴。另外,文中还介绍了双列叶栅扩压器的机理、双列与单列叶栅扩压器噪声对比试验。     

叶轮机械内具有复合型叶栅流场的计算研究

以吴仲华教授提出的两类相对流面理论为基础，在任意回转和流面上，用流函数有限差分松地求解复合叶栅的流场。所求了的轴流工叶栅流场叶型表面速度分布与文献中试验结果吻合的很好，通过对含有单个分流叶片的离心工压气机叶栅流场进行了计算，确定出最佳的分流叶片位置。还对串列叶栅的流场进行了计算，计算结果与文献中试验数据吻合较满意，通过计算得到的结果与理论分析和试验得到的结论是一致的。     

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。     

基于水轮机导叶转角推求导叶开度圆直径的方法

鉴于反击式水轮机活动导叶开度大多采用导叶转角描述,而在水电工程初步设计阶段开展的相关设计计算工作中,仍采用导叶开度圆直径描述现状,以活动导叶数为24只的圆柱式导水机构为基础,提出了水轮机导叶转角与导叶开度圆直径之间的转换公式。同时,通过对一系列典型导叶布置图的分析,结合数值分析方法,对公式中的修正系数给出了明确的解析表达式,并验证了表达式的可靠性。     

基于NURBS曲线的离心透平叶型设计

针对离心透平的环列叶栅叶型,采用四段三次NURBS曲线(非均匀有理B样条曲线),分别对前缘圆弧、尾缘圆弧、叶背、叶盆进行参数化表达,环列叶栅叶型的设计自由度为14个,可灵活进行局部调整。采用高精度流场模拟方法,基于优选法,获得气动性能较高的设计参数。结果表明上述方法简单易行,优选出的离心透平级设计工况及变工况气动性能都得到了显著提升,与已有文献相比,单排静叶总压损失系数降低18.85%,整级轮周效率提高4.08%,动叶叶片数也减少17个。     

低水头电站导水机构内流场的水力优化计算

针对蜗壳(包括固定导叶)内流场的回流和撞击问题,以Fluent为工具,采用SIMPLE算法,对低水头电站蜗壳和导水机构进行三维不可压定常粘性流动数值模拟,分析了产生问题的原因,提出采用改善固定导叶型线及进出口角度的方法对固定导叶进行优化。对优化后模型进行最优工况下的数值计算表明,优化结果较为理想,改善了原设计中部分导叶处流态不稳定的状况,为水轮机固定导叶的优化提供了依据。     

不对称二重叶栅对水轮机性能影响的探讨

对某水电站D75—35型水轮机的蜗壳、固定导叶、活动导叶内部的流动进行了解析计算，结果表明：受固定导叶不对称分布的影响，固定导叶和活动导叶内部的压力和速度分布不均匀，尾流较为明显，能量损失较大；压力和速度的脉动变化以及不均匀分布进一步延伸至转轮，将会造成转轮运行的不稳定，进而影响整个水轮机组的稳定运行。     

基于CFD的混流式水轮机改造流道内部流动特性研究

针对老旧水轮机无适合新型转轮的情况下,通过适当的改型设计,根据标准k-ε双方程和雷诺时均（N-S）方程,给定转轮边界条件,建立混流式水轮机流道内部流动的数学模型。通过CFD对水轮机进行数值模拟,获取优化后的转轮内部、活动导叶和固定导叶速度分布及叶片压力分布,通过流场分析,提高改造的可靠性。结合具体电站的应用案例,改造后结果表明：尾水管中回流细微、涡带较弱,水流在引水蜗壳和导水机构中的水力损失不大,平均效率提高5%,平均出力提高4%,水轮机的抗空化空蚀性能及可靠性均得到提高,对混流式水轮机的改造有一定的参考作用。     

透平双列调节级气动特性研究和分析

对采用静叶栅部分进汽的双列调节级进行不同负荷分配的气动性能分析研究，同时分析静叶栅不同局部进汽对级性能的影响。运用全三维数值方法对全周双列调节级模型计算模拟。分析结果表明，首列叶栅负荷比的变化直接影响整级的气动性能，首列叶栅负荷从80%下降到50%的过程中，级效率呈现先上升后下降的趋势，即双列调节级存在一个最佳的首列载荷分配值。同时研究首列静叶栅和第二列静叶栅部分进汽度的设计，经研究，第二列静叶栅部分进汽度与首列静叶栅部分进汽度接近时，双列调节级的气动性能最优。     

高水头电站水轮机沙水流动特性的数值研究

研究泥沙磨损有助于降低水轮机磨损,延长水轮机使用寿命。运用Partical两相流模型对高水头多泥沙电站的水轮机全流道内部沙水两相流动进行数值计算,并分别分析转轮进口沿叶高20%、50%、80%流面的流动特性。计算结果表明,压力从固定导叶进口到转轮出口圆周方向的周向性较好,分布合理,最低压力高于空化压力。活动导叶上泥沙相体积分数最高在导叶头部位置,尾部泥沙相体积分数也较高,导叶靠近头部处和导叶尾部泥沙速度最大。转轮叶片各叶高流面泥沙相体积分数均在叶片工作面尾部达到最大,叶片头部和尾部位置泥沙速度均较高。研究结果对水轮机选材、关键磨损部位的预测及防护方案具有指导意义。     

导流板抽吸对扇形叶栅实验件流场的周期性影响

为保证导叶-静叶结构的扇形叶栅实验顺利开展,针对已有扇形叶栅实验件,设计了两种导流板抽吸方案:两侧导流板流道转接的位置设置抽吸缝和在前一方案的基础上增加左侧抽吸缝的抽吸量、同时不在右侧设抽吸缝。两种方案中都于导叶与静叶转接位置开设矩形抽吸缝,宽度均为2 mm。对不同方案的实验件流场进行数值模拟,通过对比分析导叶及静叶栅出口气动参数和流场结构,确定了能够大幅提高实验件流场分布周向均匀性的导流板抽吸和结构改进方案。研究表明:导流板结构改进和设置抽吸缝都可以在一定程度上改善流场的周期性;导流板抽吸缝开设在气流分离区,可减小分离强度范围,改善实验件整体周期性;第2种方案可大幅提高实验件流场分布的周向均匀性,使可测量流道数增加到7个。     

高水头水电站混流式水轮机导叶泥沙磨损试验研究

对高水头水电站混流式水轮机导叶泥沙磨损进行了试验研究与数值模拟计算,获得了常用于水轮机活动导叶S135和ZG06Cr13Ni5Mo材料,以及用于固定导叶1Cr18N9Ti和Q345的泥沙磨损规律,拟合出泥沙磨损率计算公式。结果表明:泥沙绕流速度比泥沙质量浓度对磨损率的影响高2个数量级,导叶吸力面磨损相对于压力面较严重,导叶头部和尾部出现明显纹路、斑点和缺口,用于活动导叶的S135材料和用于固定导叶的1Cr18N9Ti材料的耐磨性较好。     

水泵水轮机导叶动态水力矩特性分析

采用SST k-ω湍流模型对某高水头水泵水轮机进行全流道三维非定常数值模拟,分别对在水轮机工况和水泵工况运行下的导叶动态力矩特性进行分析。结果表明:在水轮机工况下,随着流量的增大,不同位置处导叶的动态水力矩变化规律一致,力矩值由正值变为负值,力矩脉动频率与转轮叶片数相关,流量越大,叶频影响越显著;在水泵工况下,最高扬程工况时导叶水力矩脉动频率主频为转频且脉动幅值较大,而最低扬程工况下导叶水力矩脉动主频为叶频,力矩脉动幅值较小。     

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。