转轮下环间隙对混流式水轮机内部流动特性的影响

水轮机转轮间隙内的泄漏涡、泄漏流等复杂的湍流易影响水轮机的性能与稳定性。为了分析下环间隙对混流式水轮机能量特性和内部流态的影响,该文基于N-S方程和SST湍流模型,考虑了0.6 Qd(Qd为设计流量工况)、0.8 Qd、Qd、1.2 Qd共4种流量工况,对5种下环间隙下的混流式水轮机模型机进行三维全流道数值计算。通过对比不同下环间隙方案对混流式水轮机效率与容积损失的影响,结合不同水轮机内部流场特征,分析下环间隙与水轮机性能的关系。计算结果表明:下环间隙由0.4 mm增大到1.3 mm,机组泄漏量增大,水轮机效率整体呈下降趋势。其中,当机组在小流量0.6 Qd工况运行时,间隙对水轮机能量特性影响最为明显,效率下降了4.1个百分点。当机组在小流量0.6 Qd与0.8 Qd工况运行时,下环间隙增大,间隙内部流场与尾水管内部流场呈现小幅度恶化;当机组在大流量1.2 Qd工况运行时,下环间隙增大,转轮叶片吸力面压力分布以及尾水管内部流场均得到改善。该研究可为混流式水轮机结构设计提供有效参考。     

间隙流动对混流式水轮机效率预测的影响

为了分析转轮间隙流动对混流式水轮机效率预测的影响,该文采用CFD数值模拟方法对含有转轮间隙的混流式水轮机内部流动特性进行研究,定量分析了转轮圆盘效率损失,并将CFD仿真结果和模型试验结果进行了对比。研究表明:考虑了转轮圆盘损失后,在最优单位转速附近CFD计算得到的水轮机效率和模型试验结果吻合良好。当偏离最优工况点较远时,由于流场中存在脱流和涡流,CFD计算得到的效率较试验值偏低。转轮下环表面造成的圆盘效率损失远高于上冠表面,且转轮内外圆盘损失基本相当。在同一水头下,通过转轮间隙的泄漏流量基本为常数。此外,"动静干涉"现象对圆盘损失的影响基本可以忽略不计。该研究结果可为混流式水轮机圆盘损失的预估提供有效的参考。     

叶片低压边的轴面位置对高水头水泵水轮机空化性能的影响

水泵水轮机转轮叶片低压边相比其他部位更具有空蚀的危险性。首先基于低比转速混流式转轮设计程序,设计了3个具有不同低压边轴面位置的叶片。然后采用数值模拟方法对3个转轮分别进行了3个不同出力的水轮机工况以及3个不同流量的水泵工况的全流道定常数值计算,对比分析了各计算工况下转轮的能量特性、流动特征及空化形态。研究表明,在一定范围内,叶片低压边轴面位置前移可以改善大流量水泵工况下转轮叶片进口的脱流情况,从而提高大流量水泵工况的扬程和空化性能。低压边轴面位置的后移,使得水轮机设计工况和满负荷工况的水力效率降低,但是改善了水轮机大流量工况的空化性能;并且叶片低压边轴面位置后移可以改善小流量工况下叶片进口的来流均匀性,从而提高小流量水泵工况的空化性能。相比而言,低压边在上冠型线位置的直径与转轮直径之比为0.4998的第2种低压边位置转轮在水轮机和水泵2种工况下都表现出比较好的空化性能,满足设计要求。     

叶片低压边厚度对水泵水轮机空化性能与强度的影响

水泵水轮机转轮叶片低压边相比其他部位更具有空蚀的危险性。首先基于低比转速混流式转轮设计程序,设计了3种具有不同厚度的叶片,厚度差异主要在叶片低压边位置;然后采用数值模拟方法对3种翼型转轮分别进行了3个不同出力的水轮机工况以及3个不同流量的水泵工况的全流道定常数值计算,对比分析了各计算工况下具有不同叶片低压边厚度的转轮的空化形态及流动特征;最后采用有限元方法对转轮叶片强度进行了校核。研究表明:3种叶片低压边厚度分布规律的转轮均满足强度要求。空化性能方面,水轮机42%出力工况下,翼型2转轮不发生空化;88%出力工况、100%出力工况和水泵大流量工况下,随着叶片低压边的厚度的增大,空化越剧烈;水泵小流量工况与设计工况下,转轮的空化程度并不因低压边厚度的增大而加剧,而是水泵设计工况下,低压边厚度相对最大的翼型3叶片头部绕流平顺,空化性能相对较好,其他2种翼型由于头部出现脱流和漩涡,出现严重空化。     

混流式水轮机叶道涡流动特性研究

叶道涡是混流式水轮机运行在偏工况下出现的一种典型的空化流动现象，其起源于两叶片之间而消失于转轮出口附近，对水轮机内部的压力及速度场有直接的影响。为了阐明叶道涡演化特征及其对水力性能的影响，该文基于SST k-ω湍流模型及Zwart空化模型对某一低水头混流式模型水轮机进行瞬态空化两相流动的数值模拟及试验研究。结果表明，叶道涡流动结构的数值模拟与试验观测结果基本一致。在叶道涡工况区，转轮内空泡体积呈周期性脉动，叶道涡频率为转频的90%。叶道涡沿叶片展向发展于轮毂面，主水流在离心力的作用下向下环方向偏移，迫使叶道涡向出水边方向移动，故涡束沿叶片出口边背面靠近轮缘处流出。转轮内有限空间限制及偏工况下负冲角的综合作用，是形成叶道涡的主要原因。压力脉动及其频谱分析表明，活动导叶与转轮之间的无叶区、转轮叶片以及尾水管内均捕捉到了叶道涡频率，表明叶道涡频率同时向上游及下游传播。叶道涡对尾水管内部流场有较大影响，表现为锥管段及肘管段中心处形成较大回流区。该研究为进一步深入理解复杂的叶道涡流动特性提供一定参考。     

混流式水轮机转轮设计变量耦合强度分析

在开展混流式水轮机转轮的多学科优化时通常需要进行设计变量的学科耦合强度分析,以便为建立简洁、高效的多学科优化求解策略提供依据。该文提出了一种基于全局相对灵敏度的转轮设计变量耦合强度分析方法,该方法基于参数化全三维反问题设计理论实现对转轮几何的参数化控制,并通过改进后的MorrisOAT法进行各学科目标函数对转轮设计变量的全局相对灵敏度计算,然后以各设计变量的全局相对灵敏度集合为论域,引入模糊隶属度函数量化计算设计变量对各学科目标函数的隶属度。最后,以各设计变量的隶属度值为基础,提出了设计变量的耦合强度判定准则,为设计变量的耦合程度属性确定提供了参考。采用该文所提出的分析方法对某混流式水轮机模型转轮的设计变量开展了耦合强度分析,并根据变量的耦合强度分析结果开展了转轮的优化设计,优化后的转轮不仅使得水轮机在3个优化工况下的水力效率分别提高0.2%、0.82%和1.2%,同时叶片的空化和强度性能也得到改善,该结果表明该文所提出的混流式水轮机转轮设计变量耦合强度分析方法能可靠有效的界定各设计变量的耦合程度属性,从而验证了方法的可行性。     

混流式水轮机叶道空化涡诱发高振幅压力脉动特性

混流式水轮机部分负荷叶道空化涡不稳定特性已成为制约水电与其他可再生能源多能互补发展、扩大水轮机稳定运行范围急需研究的技术难题。该研究以HL702低水头混流式模型水轮机为研究对象,通过非稳态数值模拟技术及涡流可视化试验,对部分负荷工况下的叶道空化涡不稳定涡流演化及压力脉动特性展开研究。结果表明,叶道空化涡在水轮机转轮内为一个体积周期性变化的动态过程,其涡结构脉动主频为转轮转频的1.1倍。叶道空化涡诱发时,水轮机转轮叶片压力面和吸力面均捕捉到与涡结构频率相同的压力脉动信号。叶道空化涡体积的变化主要发生在转轮叶片背面出水边与下环交界附近,引起压力脉动幅值的局部放大。进一步分析发现,叶道空化涡发生工况下水轮机内部的瞬时压力脉动信号与空泡体积加速度成正比,表明涡流演化是引起压力脉动幅值上升的重要原因。研究进一步阐明了部分负荷工况叶道空化涡的演化特征,揭示了涡流诱发不稳定高振幅压力脉动的内在机制。     

轴流式水轮机叶片进水边形状对其性能的影响

针对轴流式水轮机叶片几何形状差异对水轮机的运行性能和运行范围产生的影响,研究了轴流式水轮机不同叶片进水边形状与水轮机性能参数之间的关系。在相同叶片安放角的情况下,对具有3种不同叶片进水边形状的轴流式模型水轮机进行数值研究。研究结果表明:在相同的叶片安放角的情况下,不同的叶片进水边形状不仅可以改变流道中从轮毂到轮缘的流量及环量分配;而且能够有效的改善叶片正背面压力分布,减小转轮内部的低压区,提高水轮机效率及空化性能;同时不同的水轮机进水边形状可以调节水轮机运行范围。研究结果可为水轮机的优化设计提供理论指导。     

三种空化模型在离心泵空化流计算中的应用评价

为寻求一种更好的数值计算方法来模拟离心泵空化流,该文比较了Zwart-Gerber-Belamri模型、Kunz模型和Schnerr-Sauer模型在离心泵空化流模拟中的适用性。在3个不同的流量系数(φ=0.082、0.102、0.122)下,将每个模型的数值计算结果与试验结果进行对比,发现设计流量系数和小流量系数下Kunz模型的模拟结果与试验值最为吻合,大流量系数下Zwart-Gerber-Belamri模型的模拟结果更接近试验值。分析了φ=0.102时Kunz模型得到的空化流场,发现随着空化数的减小,空泡首先在叶片吸力面进口边附近产生,然后沿叶片吸力面向出口方向和叶片压力面扩展;叶轮流道总压系数的下降主要发生在上游断面,空化的发展对下游断面的影响很小;空化对叶片表面载荷分布影响较大。     

基于瞬态流固耦合的混流式转轮叶片裂纹成因分析

某电站混流式水轮机转轮叶片历年出现不同程度的裂纹情况,为了分析该转轮叶片裂纹产生的原因,该文首先采用流体动力学技术,对该水轮机机组在额定水头下、不同负荷的4个工况进行了全三维的非定常湍流数值模拟,分析对比了各个工况下转轮内部流场的变化和压力脉动情况,计算结果表明:在低负荷情况下转轮内部出现叶道涡,叶道涡的存在使得转轮内部压力脉动变大,从而引起机组运行不稳定;其次采用结构有限元技术对转轮在上述4个工况下进行了动应力分析,模拟结果显示:应力最大发生在转轮上冠和叶片出口连接处,且在低负荷下动应力最大,最大值可达到164.3 MPa,长期在低负荷工况下运行容易引起叶片疲劳;最后对转轮单个叶片进行了模态分析,从模态分析结果可知叶片固有频率远离各个水力激振频率,因此不会发生水力共振。该文通过计算流体动力学(computational fluid dynamics)的方法全面分析了叶片产生裂纹的原因,并提出了相应的裂纹控制对策,为机组的稳定运行提供了参考。     

叶片尾部形状对双向贯流式水轮机性能的影响

为了研究双向贯流式水轮机反向工况效率低下的问题,该文以某带有后置导叶的双向贯流式机组为对象,针对不同形状和不同厚度的叶片尾部,分析了反向工况下叶片尾部对机组性能的影响。采用UG建模软件对机组进行几何建模,基于CFX软件,采用SST k-ω湍流模型对不同形状和厚度的叶片尾部的转轮进行了数值模拟。结果表明:反向工况下采用圆形尾部的叶片其机组效率为59.55%,高于矩形尾部的58.4%和弧形尾部的58.01%,说明反向工况下矩形尾部和弧形尾部的冲击损失较大。增加叶片尾部厚度对机组反向工况的效率提高较为明显,其效率最高能抬高到79%,但叶片尾部厚度增加到一定程度后效率不再增加,叶片尾部厚度的增加使得反向工况下叶片尾部最低压力值降低了1.2×106 Pa,对其反向工况下的空化性能有较大影响,且增加了正向工况运行是出现卡门涡的概率。研究成果为双向贯流式水轮机反向工况下叶片尾部形状的优化设计提供了经验参考。     

混流式水轮机内特性模型改进及在外特性曲线拓展中的应用

混流式水轮机综合特性曲线反映了水轮机高效率区域的特性,但不满足水轮机大范围内过渡过程仿真需求,在仿真前需要对水轮机低效率及负效率区域的特性进行拓展。目前常用的拓展方法其原理均是根据水轮机综合特性曲线中各参数的变化趋势并结合飞逸特性曲线等约束进行的拓展,没能充分考虑水轮机内在规律,拓展结果过度依赖个人经验,具有较大的随意性。该文通过分析水轮机各部件的能量损失建立了水轮机能量平衡关系式,结合流量调节方程对水轮机内特性模型进行了改进。针对改进后的内特性模型特点设计了一种遗传算法与最小二乘法相结合的参数辨识方法,采用水轮机综合特性曲线及飞逸特性曲线对模型参数进行了辨识,采用辨识后的水轮机模型绘制了较大范围的水轮机特性曲线并与实测特性曲线进行了比对,并结合实测结果对误差来源及误差对过渡过程影响进行了分析。结果表明改进后的混流式水轮机内特性模型能够正确描述水轮机特性,采用最小二乘法与遗传算法相结合的方法能够辨识模型中的参数,将该模型应用在水轮机外特性曲线拓展及过渡过程仿真中,机组过渡过程中最大转速上升率相对误差从2.11%降低到0.54%,最大压力上升率相对误差从10.70%降低到9.52%,说明该模型能够减小仿真误差、减小传统方法中对个人经验的依赖,对过渡过程计算提供了参考。     

贯流式水轮机飞逸过渡过程瞬态特性CFX二次开发模拟

当水轮发电机组处于飞逸状态时,水轮机内部会出现严重的不稳定现象,容易引起机组的振动。贯流式水轮机因为水头低、流量大、通道短等特点,其过渡过程与常规的立式水轮机有许多不同之处。基于此,该文通过CFX16.0和Fortran程序的二次开发建立了水轮机飞逸过程的数值计算方法,对贯流式水轮机的飞逸过程进行了数值模拟,获得了转速、流量、力矩、轴向力等外特性参数在飞逸过程中的变化历程以及水轮机内部流场的动态特性。结果表明:计算得到的最大飞逸转速为2 190 r/min与试验测得的结果较为接近,误差不超过2.5%,验证了该数值方法的可靠性;飞逸过程中其余外特性参数的变化规律均符合高比转速水轮机飞逸过程的流动规律;在飞逸过程中,由于转速和流量的增加使得水轮机转轮进口相对液流角降低,水流在叶片吸力面进水侧靠近叶缘处发生撞击形成高压,在叶片压力面进水侧叶缘处出现脱流产生负压,并随着转速的升高,高压区和低压区逐渐增大,转轮叶片受力变得极为不均匀容易引起疲劳破坏;同时,转速的增加使得转轮出口环量增加,在尾水管内部将会形成偏心的螺旋涡带,引起了强烈的低频压力脉动,振幅最大可达到试验水头的104%,不利于机组的安全稳定运行。     

C型及S型叶片的贯流式水轮机流场特性

为了研究不同叶片进出口边形状及位置对贯流式水轮机内部的流动特性及机组能量特性所产生的影响,并为贯流式水轮机叶片的水力设计提供参考,该文基于某4叶片灯泡贯流式水轮机模型机,利用ANSYS-Bladegen对转轮叶片进行优化设计,并通过数值研究的方法对优化前（C 型叶片）和优化后（S 型叶片）的贯流式水轮机进行流场分析和性能评估,以揭示2种形式的叶片几何参数差异所引起的水轮机内流动特性及水轮机能量特性的差异。研究结果表明：S型叶片因其进出口边位置低于C型叶片,因此流道内速度矩的消耗位置较低,转轮出口环量分布规律也呈S型分布;C型叶片具有较大的叶栅稠密度及包角,叶片表面低压区较小,相反S型叶片叶栅稠密度及叶片包角较小,叶片正背面压差较大,因此转轮能量转换能力优于C型叶片,同时S型的出水边有效的减小了转轮出口的低压区,有助于改善尾水管内的流动特性;叶片进出水边对转轮内的水流具有导流作用,且流量越小,这种趋势越明显,S 型叶片进水边形状有将水流导向轮缘的趋势,水流在流道内的流量分配也呈近似 S型分配;S型叶片叶栅排挤作用减小,转轮内的水力损失、转轮出口环量损失及尾水管水力损失也明显小于C型叶片,因此其整体能量特性优于C型叶片。     

低比转数离心泵的多目标优化设计

为了提高IS50-32-160低比转数离心泵在设计工况下的扬程和效率,采用数值模拟、试验设计、近似模型和遗传算法相结合的优化方法,选取了泵叶轮的叶片出口宽度、叶片出口安放角和叶片包角3个参数作为设计变量,采用最优拉丁超立方试验设计方法进行20组方案设计,应用ANSYS CFX 14.5软件对各方案进行定常数值计算,得到设计工况下的效率和扬程,并将效率和扬程作为设计目标,根据Kriging近似模型建立了设计目标与设计变量之间的近似函数,采用遗传算法对近似函数进行求解,得到最优的叶轮参数组合。研究结果表明:原始方案的外特性数值模拟结果与试验结果吻合程度较好,设计工况下预测扬程偏差为3.3%;优化后的泵水力效率提高了4.18%,而且近似模型在预测性能的准确性高;通过对比原始方案和优化方案的内流场特性,优化方案内部流动得到改善,优化的叶轮的漩涡区域比原始方案的较小;优化使得效率在主频和次频下的脉动幅值分别下降了1.52和0.84,叶轮内的较大压力脉动强度区域减小,隔舌附近监测点在主频下的压力脉动系数幅值下降了0.02。非定常压力脉动强度降低,从而泵的运行稳定性提高。提出的优化设计方法对低比转数离心泵高效以及无过载特性的优化具有一定的参考意义。     

潜水泵缩比模型的相似性验证与内部流场分析

相似换算设计法是离心泵设计中最常用的方法之一。为了验证缩比模型的相似性,该文选取一典型井用潜水泵作为模型泵,基于缩比模型换算法获得设计泵,借助数值模拟与性能试验的方法,研究设计泵与模型泵的相似性,并分析两者内部流场的差异与规律。采用Ansys CFX软件分别对设计泵和模型泵进行数值模拟,以两级泵模型建立计算域,划分结构化网格,基于标准k-?湍流模型和标准壁面函数进行多工况数值模拟,分别对设计泵和模型泵进行了性能预测,并对预测结果进行了对比分析。结果表明:较于模型泵,设计泵的最大功率点向大流量工况偏移,且最大功率与额定功率的比值有所上升,但其仍具有较好的无过载特性。模型泵数值预测与试验结果的对比表明,在额定流量下,数值模拟预测的扬程低于试验结果 0.79%,功率低于试验值5.2%,效率高于试验值2.78%,且两者随流量变化的趋势基本一致,说明该文的数值计算结果具有一定的准确性。缩比模型在0.4~1.6倍额定流量工况范围内,扬程、效率和功率随流量变化趋势基本一致,设计泵与模型泵满足相似换算准则,模型等比例缩放法能够满足深井离心泵的水力设计要求。