冲击式水轮机喷射机构优选与磨损特性分析

为探索冲击式水轮机喷射机构水力性能和泥沙磨损特性,以500 MW冲击式水轮机为例,结合VOF模型和离散项模型对喷射机构内水气沙三相流进行了数值计算,求解得出不同喷针/喷嘴锥角喷射机构效率和流量,得到了喷射机构在不同开度下的流动特性和泥沙磨损特性,并结合实际电站磨损情况进行对比分析。结果表明：喷针/喷嘴锥角为45°/62°组合的喷射机构具有更好的调节性能。在额定开度下,喷射机构的水力效率达98.5%,比小容量机组的效率略高,随着开度的减小,效率有所下降。支撑肋导致喷射机构内形成附着涡并向出口发展,使颗粒撞击速度增加,从而对喷针表面造成不对称磨损,喷嘴磨损主要发生在出口边附近。附着涡致使速度场分布不均,导致喷嘴出口处水流卷吸空气形成了漩涡,致使泥沙颗粒发生“逃逸”现象。研究成果可为冲击式水轮机的设计和运行提供参考。     

多喷嘴冲击式水轮机内部流动研究

为了提高冲击式水轮机的出力与比转数,在设计时往往采取增加喷嘴数,但喷嘴数的增加会引起转轮内部流动的相互干涉,降低机组效率.本文采用CFD技术对六喷嘴冲击式水轮机转轮内部流动进行数值模拟,通过水斗数与喷嘴数之间的相互流动计算结果,优化出六喷嘴冲击式水轮机在转轮斗叶数为21个时,正好与喷嘴数相匹配,得到单个水斗接受射流全过程的速度、压力分布以及水流迹线,多个喷嘴同时作用时转轮内部流动的干涉情况.     

冲击式水轮机斗叶根部型线优化设计

应用UG软件完成转轮斗叶模型建立,采用CFD技术对多喷嘴冲击式水轮机内部流动进行数值模拟,并结合ANSYS软件对斗叶应力的分析结果,完成转轮斗叶及根部型线的优化,成功地解决了喷嘴数增加后,射流之间、转轮内部流动之间的流动干涉问题,保证了冲击式水轮机转轮的强度和水力性能,使设计的机组运行更加稳定,效率提高。     

水轮机泥沙磨损两相湍流场数值模拟

为研究水轮机内部泥沙磨损的固液两相流动特性,应用基于计算多相流动力学理论中欧拉-欧拉方法的代数滑移混合多相流模型,采用多面体网格技术、标准k-ε湍流模型和压力速度耦合的SIMPLEC算法,转动区域应用多重参考系模型,对混流式水轮机全流道进行了三维定常泥沙磨损两相湍流场的数值模拟.利用商业CFD求解器ANSYS Fluent,获得了小开度工况下水轮机泥沙磨损发生的部位与程度,分析水轮机流道内泥沙磨损的特征规律,其中叶片上泥沙颗粒分布模拟结果与真机转轮实际磨损情况相符,表明该方法可以准确预测水轮机各过流部件的泥沙磨损情况,对揭示泥沙颗粒与水相互作用的固液两相湍流场诱发水轮机振动的影响机理及解决工程实际问题具有重要的意义,而且具有较高的工程应用价值.     

含泄水孔混流式水轮机间隙流动数值模拟

建立了包括混流式水轮机转轮上冠和顶盖间的空腔、泄水孔以及转轮前密封间隙流道中的水体模型在内的全流道几何模型,通过三维数值模拟,研究了主流道内速度和压力分布以及空腔、泄水孔和密封间隙内的流动特征,揭示了混流式水轮机上部空腔压力与泄漏水量随不同密封间隙尺寸、不同泄水孔直径和数目的变化规律。根据数值模拟结果,最终确定水轮机泄水孔数目为6个,直径为40 mm,间隙宽度为1 mm,该模型额定工况下流量为5 109 m3/h,间隙泄漏水量占机组流量的0.3%,水轮机效率为86.75%,与试验测试结果基本一致,表明所研究的间隙流计算方法可为水轮机泄水孔直径、数目以及密封间隙等细部结构尺寸的权衡确定提供参考依据。     

渣浆泵内部流场数值模拟与磨损特性分析

利用工程上普遍采用的k-ε两方程模型和SIMPLE算法,对渣浆泵的内部流场进行了数值模拟。得出了渣浆泵叶轮与蜗壳内的速度分布、固相浓度分布以及漩涡结构等流场信息。比较了颗粒直径为0.5 mm,初始固相浓度为0.05,0.1,0.2,0.3,0.4时,以及初始固相浓度为0.1,颗粒直径为0.076,0.15,0.5,0.75,1 mm时的不同工况下泵内的固相浓度分布;分析了颗粒直径以及初始固相浓度对渣浆泵叶轮和蜗壳磨损的影响。     

超大容量水斗式水轮机水力特性数值模拟分析

为满足超高水头、超大容量水电站建设需求,提出了一种额定水头1 000 m,单机容量接近800 MW的三转轮立轴串联水斗式水轮机方案。阐明了这种通过增多转轮来增大容量的设计理念和结构组成,给出了方案的理论设计参数,并应用CFD模拟预测了其水力特性、分析和优化转轮及转轮室流态。研究表明：三转轮水斗式水轮机的额定工况效率可达87%,工作特性曲线变化平稳。转轮室溅水干扰是影响效率的主要因素。通过优化各层转轮相对位置和喷嘴方位,可一定程度提高效率,减小力矩振荡,保证出力稳定。此初步尝试证明了概念的可行性,也发现溅水优化的重要性,能为后续优化研究提供参考。     

低水头贯流式水轮机运行特性数值仿真

通过建立非稳态过程的三维湍流数值模拟方法,设定进口压力呈周期性变化,且在转轮转速处于变化和不变的情况下,对某种新型无调速机构的低水头贯流式水轮机的运行特性进行了数值模拟.数值计算结果表明:在转轮转速随进口压力变化,且进口压力呈振幅为14%的正弦变化时,转速增大和减小的幅度分别为0.76%,0.21%,且其变化趋势滞后进口压力变化1/4周期;而流量的变化在极值处分别增大8%和2.5%;受进口压力变化的影响,转速变化时水轮机效率的下降幅度10.76%大于上升幅度4%.结果同时揭示了在2种情况下,水轮机力矩、流量、功率以及效率随时间的变化规律,并分析了在进口压力变化过程中,机组转轮区子午截面、转轮叶片压力场的瞬变过程,可为电站后期电气控制设备的选型提供参考依据.     

沙粒体积分数对离心泵磨损特性影响的数值分析

为了研究含沙水流条件下沙粒体积分数对离心泵磨损特性的影响,采用RNG k-ε湍流模型和SIMPLE算法,基于离散相模型(DPM)和Finnie塑性冲蚀磨损模型,沙粒粒子注入选用R-R分布拟合方法,对一比转数为196的单级单吸离心泵内固液两相流动进行全三维数值模拟．通过对比清水介质时泵外特性试验数据与数值模拟结果,验证了数值计算方法的可靠性．研究结果表明:随着沙粒体积分数的增加,离心泵过流部件的磨损强度逐渐增大,且磨损部位主要集中在叶片进口边、叶片背面、叶片工作面靠近叶片出口的位置以及蜗壳的第2断面和第4断面附近;随着沙粒体积分数的增加,沙粒运动轨迹逐渐趋于紊乱,离心泵的扬程和效率逐渐降低．     

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.     

水泵水轮机“S”形区全流道数值模拟

为了解决水泵水轮机“S”形区所导致的水泵水轮机在水轮机工况并网困难问题,研究了水泵水轮机“S”特性工作区域的内部流动情况,选取国内某抽水蓄能电站模型水泵水轮机水力模型作为研究对象,进行几何建模,并借助计算流体动力学软件CFX进行全流道数值模拟.模拟采用了区别于传统RANS模型更为精细的分离涡模型进行计算,得到了水泵水轮机内部的流动状态以及外特性参数,并同模型试验值、理论分析结果进行对比验证.结果表明:分离涡模型的计算结果可以达到很好的精度,转轮流道内的流场与理论分析结果相吻合,外特性与试验值相吻合,仿真计算误差小于3％;随着流量不断减小,转轮进口流动分离现象逐渐增大,最终发展成旋涡对流道造成堵塞,堵塞还将引发转轮与双列叶栅之间的相互作用,导致整个流道流动不稳定性的产生.     

水泵水轮机水轮机制动区的流动特性

为研究水泵水轮机水轮机制动区的不稳定流动特性,根据某抽水蓄能电站建立水力模型,应用计算流体动力学软件Fluent模拟其流动特征．采用SST k-ω模型和SIMPLEC算法计算水轮机制动工况的内流场和外特性,并结合试验数据进行对比验证．结果表明,水泵水轮机在水轮机制动工况随流量的变化水头变化不大,在力矩为0时的水头最低;导叶开度越大,进入制动区时所需的转速越高,且流量越大,可以通过调节导叶开度防止水泵水轮机进入制动区;导叶工作开度下力矩为0时的流场不存在涡结构,随着流量的减小,在叶片和活动导叶的进口以及固定导叶和活动导叶之间出现大量的回流涡,并且呈现出类周期性分布特征;转轮中的回流涡是由于前倾式叶片的倾角较大产生的,导叶中的回流涡是由于流体流动方向与导叶叶片的冲角引起的．以上结论可为水泵水轮机的优化设计提供一定的理论基础．     

导叶对液力透平性能影响的数值分析

为研究导叶对液力透平运行性能的影响,采用CFD软件对无导叶和导叶数为7,9,11的4种液力透平进行数值模拟,分析了有、无导叶及不同导叶数对透平运行稳定性的影响,得到透平运行的外特性曲线. 结果表明,添加导叶可以提高液力透平的效率且效率随导叶片数增多而提高,较无导叶时透平最高效率点的流量增加、压头降低. 内流场分析表明,添加导叶后叶轮流道内的速度分布得到明显改善,其内部区域的旋涡数量减少、旋涡尺寸明显变小;压力分布均匀、梯度较为明显,且随导叶数的增加叶轮的进口静压逐渐增大. 叶轮进口速度矩分析表明,速度矩在有导叶时变化幅度变小,在叶轮进口环面上变化较平稳且分布对称,导叶数为11时其变化幅度值最小. 研究结果表明,透平添加导叶改善了叶轮的入流条件,提高了液力透平运行的稳定性能.     

基于反转双吸泵的液力透平全特性的数值预测

为了研究一种带导叶的双吸泵反转作为液力透平使用时的性能,采用SST k-ω湍流模型,对该双吸泵的性能进行了预测,并对其反转作为液力透平的性能进行研究,对水泵制动工况以及反水泵工况进行预测．通过液力透平全特征曲线分析,该双吸泵额定工况点效率为893％,反转为液力透平时,额定工况点效率可达905％,且当工作水头大于200 m时,该液力透平具有较宽的工作范围;机组双向运行稳定性均较好,双吸泵不存在驼峰现象,液力透平运行特性曲线中存在明显的“S”特性,运行过程中应尽量避免运行在该“S”区域．通过内流场分析,额定工况下双吸泵和液力透平转轮内部流线规则,无回流和脱流现象;但双吸管与叶轮之间流道狭窄,存在强旋流现象;机组运行在反水泵工况时,转轮内的回流将导致产生失速涡;机组运行在水泵制动区时,转轮内将产生失速．液力透平运行时必须考虑运行工况下的空化现象,避免空化的产生．     

水轮机活动导叶端面间隙磨蚀特性数值模拟

为了研究水轮机活动导叶端面间隙固液两相流动的规律,以及间隙上下表面的磨损情况,基于Fluent软件的RNG k-ε湍流模型和DPM模型,结合水轮机活动导叶端面间隙流的简化模型(圆柱绕流和后台阶流),数值模拟了不同进口速度下,沙粒体积分数分别为1%,5%,7%,10%以及沙粒粒径分别为0.020,0.050,0.075,0.100 mm时,活动导叶端面间隙的三维非稳态流动.通过定常数值模拟得到不同工况下间隙上下表面的平均磨损率分布,分析磨蚀规律和磨蚀位置.结果表明:流场中平均磨损率分布受间隙流模型的结构和两相流参数设置影响较大.随着进口速度和沙粒体积分数增大,间隙流模型上下表面平均磨损率增大,磨损主要集中在轴前、台阶下游再附点位置以及间隙流出口处,最大平均磨损率约为2.0×10^-6 kg/(m²·s).随着沙粒粒径增大,由于惯性力作用,模型上下表面平均磨损率减小;在沙粒粒径小于0.020 mm时,磨损情况相比其他粒径更严重,最大平均磨损率约为0.100 mm时的2倍.     

具有大实度直线翼垂直轴风力机气动特性数值模拟

针对实度对直线翼垂直轴风力机气动特性的影响,以采用NACA0018翼型小型直线翼的垂直轴风力机为对象,选取了0.30和0.35共2种较大的实度,每种实度下的叶片数分别为3,4,5.利用数值模拟的方法研究不同条件下直线翼垂直轴风力机的静态启动特性和动态功率特性.结果表明：在大实度情况下,叶片数对风力机气动特性的影响较大.在相同实度时,叶片数的增加能够降低各个方位角下静态力矩系数的波动,并对反向力矩有所改善,但会使最大力矩系数降低;在旋转状态下,叶片数的增加会减小最佳尖速比前的功率系数上升速度并降低功率系数,且最佳尖速比后的功率系数降低速度也减小.当叶片数相同时,具有0.35实度的风力机静态平均力矩系数大,且多数方位角下的力矩系数大于实度为0.30的风力机;在风力机旋转状态下,实度为0.30的风力机最大功率系数大于实度为0.35的风力机.