高含沙水流水轮机转轮的改型与抗磨蚀研究

进行高含沙水流水轮机转轮的改型研究，关键是要从正确确定转轮设计参数和轴面流道型式入手，根据三维水力设计理论，考虑导叶与转轮匹配关系进行叶型设计，针对不同破坏机理选择强磨蚀区采用金属喷涂或非金属保护等综合措施，使水轮机在高舍沙水流中运行时出力增加、抗磨蚀能力提高。     

溪洛渡水电站巨型混流式水轮机水力开发

针对溪洛渡水电站机组具有水头高、变幅大和单机容量为770 MW的巨型混流式水轮机水力开发的特殊问题展开研究.从水力稳定性控制的角度,讨论了水轮机水力开发条件,论证了额定转速、单位流量、单位转速、设计水头等4项关键水力参数和导叶相对高度、进出口转轮直径之比等2项关键几何参数的选择原则与匹配关系.并通过研究对比不同水力初设方案,分析不同设计参数可能引发的水力稳定性问题,结果表明:在巨型混流式机组的设计过程中应该选择较低的水力参数进行设计.研究结果显示,通过提高设计水头的水力优化措施既使得转轮叶片进水边背面初生空化远离了水轮机的运行范围,又改善了水轮机高水头部分负荷运行区转轮内的流道旋涡特性.最后根据模型验收试验证明了所采用的水力设计方法具有实际工程应用价值.     

含沙水流对泵叶轮磨损原因及改进措施

黄河流域有许多提灌泵站，黄河含沙水对水泵叶轮的汽蚀与磨损破坏是急需解决的突出问题。经过多年对泵破坏情况的观察，理论分析了含沙水流对离心泵叶轮的磨损原因和主要影响因素，受用了改进叶轮设计参数和低碳钢板成型叶片组焊叶轮等一些防腐减磨措施，经实际运行可成倍延长叶轮使用寿命，提高泵平均运行效率。具有广泛的推广使用价值，经济效益显著。     

三峡水电站过机泥沙粒径对水轮机叶片空化空蚀的影响

由于紊流中布满的涡体,利用涡成因说分析涡体对脉动、空化的影响和脉动与空蚀的关系。从涡与泥沙粒径的影响关系和空化及空蚀的两种机械破坏模式、空蚀和磨损的形态特征等方面入手,分析空蚀破坏机理,探讨了泥沙粒径对空化空蚀的影响。结合三峡水电站水轮机的磨蚀情况,得出不同颗粒粒径的磨蚀破坏机理之间的差异。此外,对于三峡水电站,空泡在水轮机含沙水流中溃灭时,空蚀与磨损具有存在性与普遍性,且耦合共同作用导致叶片破坏。     

基于Workbench的水轮机轴疲劳寿命分析

水轮机轴是水轮发电机组的关键部件,它在运行过程中承受交变应力的作用,由此产生的疲劳破坏问题会造成很大的安全隐患。以某混流式水轮发电机组为例,利用ANSYS Workbnech对水轮机轴进行了静力学分析,在此基础上采用理论方法对其进行了疲劳强度校核,并用Workbench中的疲劳分析模块对其进行了疲劳寿命分析。结果表明,水轮机轴疲劳安全系数大于许用安全系数,疲劳寿命为无限寿命,能够满足机组安全运行要求。疲劳分析方法对深入开展关于水力机械的疲劳问题研究具有一定的参考价值。     

基于CFD的混流式水轮机尾水管导流隔板分析

含沙水水轮机尾水管在运行工况下多存在流态不稳定,以及偏心涡带,从而引起压力脉动和尾水管振动,同时由于转轮出口环量的不均匀,引起尾水管内水流的脱流和撞击,导致空蚀磨损现象,影响水轮机的安全运行。为此,本文通过商用CFD软件建立含沙水中水轮机尾水管内部多相流动的数学模型,对尾水管加设导流隔板与否进行对比分析,肯定了导流隔板的作用;同时对不同位置导流隔板进行探讨,分析了尾水管水流运动情况和压力脉动,结果表明尾水管直锥段加设导流隔板,在减轻压力脉动上是十分有效的。     

高含沙水流混流式水轮机磨蚀的数值预测与分析

为了研究高含沙水流混流式水轮机的磨蚀规律,应用SST k-ω湍流模型和Tabakoff磨蚀模型对渭河流域魏家堡水电站水轮机内部的多相流动及其磨蚀现象进行了数值模拟,预测了易发生磨蚀的部位并分析了产生磨蚀的原因.通过与电站实际运行后的水轮机磨蚀情况对比,数值模拟结果准确地预测了磨蚀发生的部位和磨蚀程度.数值模拟结果表明:磨蚀主要发生在蜗壳的隔舌、面与面连接的不光滑区域或缝隙等不规则的边界区域以及导叶和叶片的头部端面;壁面附近的流态对磨蚀有重要影响,磨蚀破坏最严重的区域为转轮出口靠近下环的叶片区域,此处的叶片弯曲的曲率较大,形成较高的速度和不稳定流动现象;尾水管中的弯肘段改变了流体的流动方向导致较为严重的磨蚀.研究成果为水轮机磨蚀的预防和抗磨蚀水轮机的优化设计提供了参考.     

应用于波浪发电的贯流式水轮机数值模拟研究

越浪式波浪发电装置日益成熟,具有适应性好、转换率高和可靠性高等优点,水轮机是该装置的核心。结合山东某地的波浪发电系统,研发出一种设计水头为15 m的竖井贯流式水轮机。基于N-S方程,采用SIMPLEC算法对该水轮机进行数值模拟,分析了转轮叶片翼型、叶片安放角及导叶开度对其性能的影响。通过对多个方案水力性能进行比较,选出性能最佳的贯流式水轮机。结果表明,在满足某地波浪发电系统的设计要求下,水力损失较小,效率高达85.36%,且所设计的水轮机具有良好的水力特性,能满足波浪发电波动大的特点。通过数值模拟设计出适合波浪发电系统的水轮机,为以后波浪发电系统的研究提供技术支持。     

水泵水轮机转轮三维反问题设计与特性研究

采用全三维反问题设计方法,按照水泵工况确定设计参数,从水轮机方向进行流场计算,完成某一中高水头水泵水轮机转轮的水力设计。针对设计开发的转轮,通过模型实验测试其在不同运行工况下的性能。结果表明,设计的水泵水轮机转轮在水泵工况下的最高机组效率达到91.34%,且机组运行平稳;水轮机工况的最高机组效率为88.5%。基于全流道粘性数值计算的转轮内部流动分析表明,水泵工况下,水流光顺地通过流道,转轮内部流动损失较小;水轮机工况下,转轮进口附近存在较严重冲击损失且叶片背面低压区面积较大,影响转轮的作功能力。     

水电工程过流部件柔性涂层材料泥沙磨损及抗磨能力研究

水电工程尤其是水电站水轮机过流部件在含沙水中的泥沙磨损是很普遍的问题，严重时会导致过流部件的破坏，水电站不得不停机检修和维护，造成巨大的经济损失。对研制的柔性抗磨材料涂层应用在水电工程中的管道和水轮机导叶试件的泥沙磨损进行了试验研究，结果表明本柔性抗磨涂层材料的泥沙磨损比常用抗磨不锈钢材质小的多，大大提高了水电工程过流部件的抗磨能力。并结合过流部件表面速度测试结果，建立了水电工程过流部件泥沙磨损预估数学模型，为类似水电工程过流部件的泥沙磨损提供了预估方法，也为水电工程尤其是水电站的运行检修维护提供了技术支撑。     

基于NSGA-Ⅱ算法的水轮机活动导叶多目标优化设计

建立了基于NSGA-Ⅱ算法的叶片多目标水力优化设计系统,该系统以叶片的形状参数为优化变量,以能量性能和空化性能为目标函数,将NSGA-Ⅱ遗传算法引入作为优化工具以实现叶片的多目标优化设计.对某电站水轮机模型活动导叶的水力性能进行了优化设计,优化后导叶流道的进出口总压损失减小了26.97%,导叶表面上的最低静压力值上升了34.176%.结果表明,优化后的导叶不仅减小了流动损失,而且具有更好的空化性能.所提出的优化方法能以较少的变量控制叶片几何形状,且能有效分析各设计变量对目标函数的影响程度和范围,缩小优化问题的规模,得到满意的优化结果,可作为一种有效的水力机械叶片优化设计工具.     

基于逆向设计理论的水泵水轮机设计与数值模拟

针对水泵水轮机效率普遍较低这一问题,借鉴低比转数混流式水轮机的叶片设计理论,对一给定参数的水泵水轮应用水轮机逆向设计理论对水泵水轮机进行水力设计、三维造型和ICEM网格划分;通过建立相对坐标系下的时均连续方程及N-S时均方程等控制方程组,利用标准k-ε湍流模型来封闭方程组,采用有限元体积法进行离散,离散方程的压力-速度耦合处理采用压力耦合方程组的半隐式(SIMPLEC)算法对水泵水轮机进行数值计算,得到其内流场流动特性,与试验的水泵和水轮机工况下压力分布对比分析,预测了水泵水轮机在设计工况下的转轮效率.数值模拟结果表明,基于逆向设计理论设计的水泵水轮机工况的最优效率可以达到91%,水泵工况的最优效率达到82%,充分说明应用逆向理论设计方法对水泵水轮机的设计,可以兼顾水泵工况和水轮机工况在较优的情况下运行.     

叶片安放角对微型轴流式水轮机性能的影响

为探究叶片安放角对微型轴流式水轮机水力性能的影响,以一比转数为548的微型轴流式水轮机为研究对象,在不改变其他几何参数的前提下,仅偏置转轮叶片各翼型剖面,得到7个不同叶片安放角的转轮;在试验验证的基础上,通过全流场数值计算,分析了改变叶片安放角对微型轴流式水轮机水力性能的影响.结果表明：随着叶片安放角的减小,在相同流量下水轮机的水头与出力均增大,高效率区域向小流量区域偏移,水轮机可高效运转的范围有一定程度的增大;随着叶片安放角的增大,水轮机的水头与出力减小,高效率区域向大流量区域偏移.适当减小叶片安放角的水轮机能在较大水头(流量)变化范围内维持较好的性能.其中,安放角为-4°的水轮机最高效率达到82.13%,高效率区的范围最大.该研究可为微型轴流式水轮机转轮的设计提供一定参考.     

新型双向潮汐发电水轮机组性能优化设计

根据江厦潮汐试验电站多年运行数据,分析了潮位与运行参数的关系及其变化规律.通过数值模拟分析了双向灯泡贯流式水轮机多工况运行的水力特性,并对原始设计水轮机的灯泡比、导叶安放角、导叶及转轮叶片翼型等进行了优化设计,综合多个设计方案确定了优化后的水轮机整体流道尺寸.对优化设计的机组还进行了模型机组模型验收试验.研究成果直接应用于江厦潮汐试验电站6号机组中,真机的实际运行表明新型水轮机组可实现正反向发电、抽水和泄水等6种工况下的安全稳定运行,正、反向发电效率较潮汐电站中运行的其他机组均提高了6%以上,综合性能得到了提高.     

小型卧轴混流式水轮机顶盖汽蚀的分析和处理

水轮机的汽蚀不论其危害性大小,它客观地普遍性地存在着;并成为水轮机设计制造及水电站设计、机组安装与运行中必须考虑的重要因素之一.据有关文献资料中介绍:水轮机的常规汽蚀部位主要在水机导叶、转轮叶片、尾水简(室)等过流部件上。关于水轮机顶盖的汽蚀在我县水轮机中则较普遍的存在,且汽蚀破坏强度较上述常规汽蚀     

小型水轮机涡壳三维粘性流动解析

小型水轮发电机作为原动机能为工农业机械提供自主电源。为了使小型水轮机得到更广泛的应用，必须设计出结构简单、水力效率高的机器以确保运行稳定性。为此，对水轮机内部流动状况进行三维粘性流动数值解析是非常必要的。本文对常用的小型混流式水轮机涡壳、座环和无导叶环壁面内流动状况用最新的CFD技术进行了整体数值解析。根据解析结果，对涡壳和固定导叶进行了改进以减少水力损失。亦对固定导叶入口冲角、涡壳壁面粗糙度对流动的影响进行了定量分析。     

混流式水轮机全流道非定常湍流研究

水力振动是引起厂房结构振动的重要因素,而水力振动在混流式水轮机中尤为明显。由于水轮机内部流动的复杂性,单一构件内的流动并不能完整地体现整个流道的流动规律和本质,所以本文基于新疆某水电站厂房及CFD数值模拟技术,建立了能够模拟实际运行工况的全流道三维有限元模型,实现了全流道非定常湍流仿真计算,研究了正常运行工况下全流道的流速及压力分布特征,提取全流道的压力脉动过程并进行频谱分析,得出主要的水力振源为水轮机叶片与导叶间的动静干扰的结论,研究方法和成果可以为相关水电站厂房结构设计提供参考。     

基于弱可压缩计算的水泵水轮机超出力分析

为防止超出力工况下转轮内流体流速过高,出现脱流现象,进而导致无叶区压力脉动的升高,研究了水泵水轮机在超出力工况下运行时的水力稳定性.基于非定常、不可压缩流体,建立了三维水泵水轮机水力模型,采用SST k-ω模型对在110%额定功率下运行的模型机组进行数值模拟,预测超出力工况下的水泵水轮机内流场以及压力脉动,对导叶流域的压力脉动演化规律进行分析,并将其与试验结果进行对比.结果表明:在超出力工况下运行时,导叶附近流域压力脉动幅值沿流动方向逐渐增大;在固定导叶与活动导叶之间,压力脉动的主频大小由叶片通过频率的2倍变为1倍;2倍叶片通过频率分量幅值与混频幅值之比在活动导叶流域明显降低.超出力工况下,转轮叶片压力面出现脱流,并且在尾水管中存在1个粗大的涡带,导致机组性能降低.     

UG技术在扭曲叶片三维造型中的应用

扭曲叶片广泛应用于中高比转速叶轮,本文以UG技术对扭曲叶片进行了造型,从而有助于设计人员及时、直观地发现叶片的水力特性和机械特性。可以看出,将UG技术引入叶片水力设计领域,将对提高叶片性能产生积极的重要影响。     

混流式水轮机叶片设计与木模图的数值实现

针对传统的混流式水轮机转轮叶片设计方法（如保角变换法）设计周期较长，且不易实现叶片模型制作的状况，通过给定速度矩方程对叶型骨线方程进行逐点积分，并由包角的误差分析对速度矩方程的系数进行修正，实现叶片正面型线的设计，在叶片正面计算流面上使用导出的最大流面厚度公式直接进行叶型加厚，得到水轮机叶片的背面叶型．文中同时给出了各部分的数学分析数值计算表达式，并用CAD系统进行叶片木模图的绘形．从得到的木模图可以看出，用该方法设计更为优化，能较好地体现设计要求，并符合实际转轮叶片的形状，确保了计算和造型的准确性，可用来进一步实现水轮机的整体水力性能分析．由于模型是数值生成，故结合相应的机械加工程序，可实现叶片木模的数控加工．