水轮机顶盖部分螺栓断裂后剩余螺栓的强度分析

针对水轮发电机组由于顶盖连接螺栓断裂而导致水淹厂房等严重事故的问题,建立了某电站实际顶盖及螺栓的模型并进行有限元分析.基于Ansys,采用有限单元法求解静力学基本方程,计算得到各种工况下螺栓的应力分布;研究了某混流式水轮机顶盖全部螺栓正常工作时的强度,对部分螺栓断裂后剩余螺栓的强度进行了分析,对比了螺栓在断裂数量为1,2,4,8根以及断裂位置为90°对称分布、邻近分布、180°分布时的应力情况.计算结果表明:部分螺栓断裂后,由于偏载和突变,其余螺栓的最大应力值都会升高;螺栓断裂个数越多,断裂螺栓的分布位置越邻近,则其余螺栓强度越不足.当断裂螺栓数量为4根且处于邻近分布位置时,剩余螺栓的最大应力为744.03 MPa,十分接近螺栓材料的极限容许应力744 MPa;当断裂螺栓处于邻近分布位置且数量达到8根时,剩余螺栓的最大应力达776.21 MPa,增幅达19.69%,已远远超过材料极限容许应力,威胁电站安全运行.     

离心泵作透平固液两相流动及磨损的数值模拟

为研究离心泵作透平内部固液两相流动特性,基于Euler-Lagrange模型,应用ANSYS CFX软件对一比转数为82的离心泵作透平进行数值计算,分别模拟颗粒直径为0.1,0.3,0.5 mm及初始体积分数为5%,10%,15%的9组不同工况,以揭示介质中固体颗粒对离心泵作透平运行的影响.计算结果表明:固体颗粒主要分布在叶片吸力面头部、前盖板壁面附近以及蜗壳尾部区域;当固体颗粒质量分数不变时,随着粒径的增大,叶片表面固相体积分数增大,叶片吸力面轮缘处出现了大量颗粒堆积,透平的扬程和功率上升,效率有所下降;当颗粒直径不变时,随着固体颗粒质量分数的增大,固体颗粒在叶轮流道内的分布出现向轮毂处延伸的趋势,堆积区域面积增大,透平的扬程和功率上升,效率变化不大.该研究扩展了液力透平设计方法,可为离心泵作透平设计提供一定的参考.     

考虑主轴扭转变形的轴系振动模型

针对大型水力发电机组传统上忽略轴系扭转变形的假设可能导致轴系振动分析出现较大偏差的问题,采用Lagrange方法建立轴系振动方程和含轴系扭转效应的转子运动方程,通过定义广义动量,将这2个方程构建为统一形式的一阶微分方程组.以发电机转子上的阻力矩和水轮机转轮上的动力矩为纽带,构建包括水力系统、发电机、励磁、调速系统在内的完整水力机组模拟运行系统,并采用二阶Runge-Kutta法进行仿真计算.计算结果表明,在机组故障扰动条件下,计入轴系的弹性对轴系横向振动的影响不大,主轴扭转刚度对稳定工况下轴的扭转变形影响较大;故障扰动下,发电机转子和水轮机转轮之间的扭转角变化趋势与有功变化趋势基本一致.仿真表明,所建立的轴系扭振模型能反映轴系振动的基本特征,模型是合理的.     

叶片尾缘加弯板垂直轴风力机转矩特性数值模拟

文章提出一种在叶片尾缘加装弯板改善直线翼垂直轴风力机叶片周围流场,提高风力机转矩特性的方法。选取NACA0024和NACA0012两种直线翼垂直轴风力机常用翼型,利用数值模拟计算包括不加装弯板在内具有7种弯板长度2叶片直线翼垂直轴风力机输出转矩特性和静态起动转矩特性。结果表明,在NACA系列对称翼型尾缘加弯板叶片可在一定程度上改善直线翼垂直轴风力机输出转矩特性和静态起动特性。叶片尾缘加装弯板后可在某些旋转角下改变叶片上下表面压力分布,减少涡旋和流动分离产生,提高叶片气动特性,改善风力机转矩特性。研究发现,弯板长度为弦长40%风力机转矩特性改善效果最好,最大输出转矩系数较无弯板风力机提高17%,静态平均起动转矩提高26.4%。     

垂直轴风力机直驱热泵压缩机匹配特性研究

风能供热是多风寒冷地区,减少雾霾有效途径之一。针对垂直轴风力机直驱热泵压缩机系统,分析300 W垂直轴风力机输出和开启式涡旋压缩机输入扭矩及功率特性,研究不同风速下垂直轴风力机与开启式涡旋压缩机特殊匹配特性。根据效率理论分析匹配特性,系统选型设计时垂直轴风力机输出功率应略高于压缩机所需输入功率,通过选择合理变速比,获得垂直轴风力机设计参数,实现系统按额定工况运行。为风能供热系统参数选型提供理论参考。     

尾水管深度对轴流定桨式水轮机性能的影响

尾水管深度对水轮机的效率及稳定性都有重要影响。为解决某电站水轮机效率及出力不足的问题,采用数值模拟的方法,分析了尾水管深度变化对水轮机性能的影响。通过几个不同尾水管加深方案的比较分析,得出尾水管深度在一定范围内增加能有效提高尾水管回能系数,降低扩散损失。但由于沿程摩擦损失会随深度增加而增大,因而综合考虑损失、效率及经济性因素,最终选定尾水管深度为3.0D1的尾水管深度方案。同时,为保证水轮机的运行稳定性,也比较了该方案对流场稳定性的影响,分析了湍动能及脉动的变化。结果表明尾水管与转轮内流场存在相互作用,直锥段加高后不但会降低直锥段出口的湍动能,也会减轻转轮出口的湍动能。即尾水管内流动的改善也会降低转轮出口附近流场的紊乱程度,显著降低了转轮所受到的径向力及压力脉动峰峰值,提升了转轮内流场的稳定性。此外尾水管深度改变方案对转轮空化性能的影响不大,转轮叶片背面的最低压力范围基本没有变化。     

近断层地震滑冲效应下风力发电塔动力响应和振动控制试验研究

为研究近断层地震滑冲效应脉冲对大功率风力发电塔架结构的影响及应对措施,以丹麦某3 MW风力发电塔为原型制作缩尺模型并设计相应滚球减振器进行模拟地震振动台试验研究,考察其非线性动力响应及振动控制装置的有效性.选取具有滑冲效应脉冲的1999年Chi-Chi地震TCU052台站记录及其过滤修正记录作为输入,对比分析不同输入下无控制装置时模型的响应并建立试验模型的有限元模型对比数值计算结果和试验结果;考察设置滚球减振器后模型在有滑冲效应脉冲记录下的响应,对比分析了在总重相等时单个滚球和多个滚球布置方案下减振器的减振效果.研究表明：近断层地震滑冲效应脉冲使得结构响应明显增大,建造在地震带上的大功率风电机组设计时宜考虑其不利影响;设置滚球减振器可有效减小塔架结构响应均方差30%～40%,且多个滚球布置方案优于单个滚球.     

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。     

混流式水轮机特性曲线在多重边界条件下的分区方法

完整的水轮机特性曲线是水电站运行仿真和过渡过程计算的基础,然而厂家提供的水轮机模型综合特性曲线仅反映了水轮机高效率区域的特性,不能满足水轮机动态过程仿真需求。该研究提出了一种扩展方法:首先以零转速、零流量、飞逸曲线、零开度线、单位力矩交点为边界条件,作为划分特性曲线区域与约束各分区延拓范围的特征点,并依据内特性模型和外特性数据辨识水轮机结构参数,计算边界条件;然后针对不同区域的特点,提出不同拟合方法得到各区的特性曲线;最后对分区界线两侧拟合结果进行平滑连接,形成完整的可用于仿真分析的混流式水轮机特性曲线。对某水轮机进行实例分析,与典型外特性法和内特性法的对比表明,本文方法既保证了外特性试验数据处的拟合精度,又能反映水轮机的水力特性;与典型外特性法进行过渡过程实测反演对比可知,本文所提方法将最大蜗壳压力的相对误差从2.03%降至1.69%,小开度工况下区域平均蜗壳压力的相对误差从3.48%降至1.47%,动态过程时域响应更接近实测结果。本文特性曲线处理方法有利于提高过渡过程计算精度,也可为类似叶片式农业机械的设计及特性曲线处理提供参考。     

轴向间距对贯流式水轮机水力性能的影响

为了寻找贯流式水轮机中导叶与转轮轴向间距的合理取值,在保证其结构紧凑性的同时,获得良好的水力性能,在其他主要参数不变的情况下,通过试验与数值计算相结合的方法,分别对导叶与转轮之间轴向间距s值为30, 40, 50, 60和70 mm 的微贯流式水轮机模型进行全流场数值计算,研究轴向间距对贯流式水轮机水力性能的影响.结果表明:水轮机的水头随着轴向间距的增大而增加,水轮机的轴功率随着轴向间距的增大呈现先上升后稳定的趋势;综合各流量条件,水轮机通常在适中的轴向间距下取得较高的效率,该模型在s=40 mm时效率达到最高.选择适中的轴向间距可以改善转轮叶片表面压力分布和流态;过大的轴向间距会导致转轮进口发生负撞击,出现脱流现象;转轮出口的湍动能随着轴向间距的扩大而减小.在最优工况下,轴向间距从30 mm扩大至70 mm的过程中,转轮内部的水力损失逐渐增加,增加幅度达到15.6%,而出水管中的水力损失则减小了19.7%,总水力损失呈增加趋势.综合考虑,选用s=40 mm 作为最终方案.