基于UG的混流式水轮机转轮叶片实体建模方法研究

对混流式水轮机转轮叶片进行了实体建模方法的研究.基于UG NX 4.0强大的实体化曲面处理能力,从叶片木模图提供的数据出发,采用NURBS方法建立了叶片型面的空间样条曲线模型,由此来构建叶片空间型面.同时提出了混流式水轮机转轮叶片自由曲面延展的新解决办法,并在此基础上建立了完整的叶片实体模型.叶片表面光滑性检查结果验证了该实体建模方法的可行性;完整实体模型的建立为后续叶片的分析及数控加工奠定了基础.     

基于人工神经网络模型的混流式水轮机转轮多目标优化

【目的】探究一种同时提升混流式水轮机运行效率、空化性能及运行稳定性的优化方法,为混流式水轮机转轮的多目标优化提供技术途径。【方法】以转轮叶片进出口安放角、安装角为优化变量,通过对叶片几何参数随机离散抽样获取样本数据库,基于CFD数值计算获取各样本的性能参数,进而建立同时考虑混流式水轮机转轮效率、出口旋流数以及空化系数的多目标函数;基于人工神经网络建立优化变量与多目标函数的映射关系,最后采用遗传算法对转轮叶片的18个几何参数进行全局寻优,并对优化前后的转轮叶片性能进行对比分析。【结果】在导叶开度为112°且运行水头分别为160、175、180 m的3个工况下,优化后的转轮效率相较优化前分别提高了0.22%、0.56%、0.60%;叶片压力分布情况得到有效改善;转轮无叶区与尾水管锥管段处压力脉动幅值显著降低。【结论】叶片进口安放角的优化程度越大,混流式水轮机综合性能的提升幅度越大。     

面向加工的轴流式水轮机叶片数字化建模方法研究

对轴流式水轮机叶片的数字化建模方法进行研究。从木模图提供的原始数据出发,结合叶片各组成曲面的型面特点和加工工艺要求,提出了一种用"类似流线"的描述方式来定义叶片的方法,并利用Unigraphics NX(软件构建了叶片空间曲面。叶片表面的光滑性检查和合理性检验结果验证了该方法的可行性,完整的叶片模型为叶片后续的数控加工奠定了基础。     

长短叶片混流式水轮机转轮内部流场数值模拟研究

多泥沙河流运行的水轮机的泥沙磨损一般都很严重,尤其是高水头混流式水轮机。本研究对一多泥沙河流上的高水头长短叶片混流式水轮机的内部流动特性进行了数值预测。数值结果表明,小流量和设计工况下,水轮机流场及压力分布均较为平稳,泥沙浓度最高区域位于叶片头部及出口靠近下环处,泥沙速度最高区域位于长叶片背面,设计工况下转轮长短叶片表面泥沙速度明显高于小流量工况。根据转轮叶片表面的泥沙浓度分布和流动特性情况,可以进一步预测水轮机转轮叶片的磨损情况,为多泥沙河流电站水轮机泥沙磨损研究提供参考依据。     

卧轴双转轮混流式水轮机的优化设计

采用CFD计算分析了国外某电站的卧轴双转轮混流式水轮机组效率较低、空化性能较差的原因：主要是流道复杂,水流不畅,导致水力损失较大.由于不允许对流道进行调整,因而只能对转轮部分进行优化研究.转轮优化从3个方面进行：采用不同的叶片翼型、调整转轮上冠线的曲度和左右转轮叶片位置.基于N-S方程和Spalart-Allmaras湍流模型,采用SIMPLIC算法,对优化后水轮机的全流道进行了三维定常湍流计算,获得了各过流部件的流动细节,预估了水轮机的性能.计算结果表明：采用Ⅲ型叶片转轮、B形上冠线,并且当左右2个转轮叶片位置不同这一方案时,水轮机过流量增大到28.55 m3/s,左转轮效率达92.24%,右转轮效率达91.78%.同时分析了计算转轮上的绝对压力值,得到了分别采用Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ型叶片转轮的空化情况,结果表明：Ⅲ型叶片转轮的空化性能最好.     

混流式水轮机叶片进出水边外延方法

在混流式水轮机叶片改型中，为了改变转轮的单位转速、单位流量及出口环量，经常需要延长叶片进出水边。根据延长叶片进出水边的基本原理和混流式水轮机的特点，研究出了一种实用的外延方法，该方法对圆头叶片外延同样实用。同时，对改型后的误差进行了分析。岩滩电站的改型试验取得了预期的效果。     

混流式水轮机叶片进出水边外延方

在混流式水轮机叶片改型中，为了改革转轮的单位转速、单位流量及出口环量，经常需要延长叶片进出水边，根据混流式水轮机的特点，研究出一种实用的外延方法，该方法对圆头叶片外延同样实用，经过大量的实际应用，证明该方法简单、实用、有效，获得了一批优秀成果。     

混流式转轮叶片数对鱼类撞击死亡率的影响

鱼类在通过水轮机流道时会受到其内部高速旋转的转轮叶片撞击而出现伤亡。为了优化某电站混流式转轮的鱼类通过生存率,综合计算流体动力学分析方法与鱼类-叶片撞击的数学模型,研究了不同优化转轮方案下的鱼类撞击死亡率及机组能量性能,获得了混流式水轮机过流量及转轮叶片数对鱼类死亡率的影响规律。研究结果表明,在额定水头下,鱼类通过转轮的撞击死亡率与转轮的流量以及叶片数呈正相关关系;对于原始转轮,当流量增加到额定流量时,鱼类通过转轮的撞击死亡率达到了16.85%;而叶片数为13和11的两个优化转轮则使额定流量下的鱼类撞击死亡率比原始转轮分别降低了2.93和5.3个百分点。最后,通过分析两个优化转轮的鱼类生态性能与能量性能,选择采用13叶片的优化转轮作为最终方案。     

不同比例长短叶片对混流式水轮机内部流场的影响

为探究不同比例长短叶片对混流式水轮机各过流部件内部流场的影响,采用RNGk-ε湍流模型和三维时均N-S方程,对不同比例长短叶片混流式水轮机进行全流道三维定常数值模拟。计算结果表明在不影响转轮区流态的情况下,适当增加短叶片长度,水轮机抗空化空蚀性能有所提高,尾水管进口低压区覆盖面积有所减小。但随着短叶片长度的增长,水轮机效率降低,且固定导叶尾部、活动导叶头部以及蜗壳鼻端高压覆盖面积增大。以上结论对长短叶片混流式水轮机的设计、优化和改型等研究具有一定的指导意义。     

周宁水电站水轮机参数优化设计

对穆阳溪周宁水电站各设计阶段的高水头混流式轮机选型进行了较为系统的分析比较。并提出了以安全、可靠、稳定为周宁水电站水轮机选型设计的基本原则。同时，介绍了周宁水电站最终选取的水轮机转轮“X”型长、短叶片在效率、气蚀、稳定等方面的突出优点。     

叶片高压边安放角对高水头水泵水轮机性能的影响

基于低比转数混流式转轮设计程序,在保证转轮其他参数一致的条件下,分别设计了3个具有不同高压边安放角的叶片,并采用CFD技术对3个转轮分别进行了5个水轮机工况和5个水泵工况的全流道数值模拟,分析了叶片高压边安放角对水泵水轮机能量特性、水轮机工况转轮的来流和水泵工况转轮与活动导叶的动静干涉现象的影响.研究表明,水轮机工况下,数值计算的叶片冲角绝对值大于给定冲角的绝对值,叶片的负冲角越大,导致转轮进口撞击越剧烈,引起水轮机工况水力效率略有下降,但是对转轮内流态扰动很小.水泵工况下,叶片高压边安放角越大,与其相匹配的活动导叶转角越小;由于安放角2叶片与14°转角的活动导叶和固定导叶三者相匹配,其水力效率相对最高;而其他3种高压边安放角叶片由于不匹配,内部流场出现了撞击、脱流和回流等不稳定现象,引起水泵工况水力效率的严重下降.     

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．     

混流式转轮与导叶相互干涉的非定常数值模拟

针对HL240型混流式水轮机转轮在设计工况下的三维非定常流动现象,应用滑移网格方法考察动静干涉效应.采用Fluent计算软件.以N-S方程为控制方程,采用标准k-ε湍流模型和SIMPLEC算法,对活动导叶、转轮及尾水管整体流场进行了数值模拟,计算结果与实际情况吻合较好.通过非定常计算,解释了转轮叶片上的压力脉动.流道内压力的周期性变化及尾水管中的旋流现象.     

水轮发电机组主轴系统的水流激励特性

以混流式水轮发电机组主轴系统为研究对象,应用有限单元法建立包含电磁参数、结构参数和水力参数的混流式水轮发电机组主轴系统全局耦合动力学模型.在此动力学模型基础上,针对水轮发电机组主轴系统转轮处存在横振和扭振的情形,推导通过转轮叶片这一中间传递元件作用在混流式水轮发电机组主轴系统上的水流激励,揭示混流式水轮发电机组主轴系统的振动特性与水流激励之间的内在关系.结果表明：水流激励通过转轮叶片这一中间传递元件作用在主轴系统上,是造成水轮机主轴系统激烈振动的主要原因之一;水流激励不仅与转轮内复杂压力脉动及主轴系统的结构参数有关,而且还与主轴系统的振动特性有关;水流激励和主轴系统的振动相互作用、相互影响,从而使混流式水轮发电机组主轴系统产生流固耦合振动现象.最后通过实例讨论水流激励对混流式水轮发电机组主轴系统动态特性的影响.     

水轮机综合特性的可视化建模

提出了一种处理水轮机综合特性曲线的三维曲面可视化建模方法。作为算例，建立了某水电站混流式水轮机模型综合特性曲线的可视化三维图形, 并运用等值线法还原为等效率线与模型综合特性曲线进行对比。结果表明，运用该方法生成的数据误差小、精度满足工程要求。该方法简单易行,物理意义明确直观,特别适用于水轮机选型设计及水力机组水力过渡过程计算。     

轴面流道类型对径向直叶片水轮机的性能影响

针对径向直叶片水轮机轴面流道做混流式和全径向式布置时对性能的影响进行研究。首先建立径向直叶片水轮机的理论模型，然后基于两种不同类型的轴面流道进行转轮设计，最后通过数值仿真对其外特性和内部流场进行分析对比。研究表明，两种方案均能适应超小流量和较宽的水头变化范围，采用混流式流道方案时最优数值预测效率为81.4%，较全径向式流道方案偏大1.8%，并具有较高的过流能力。经试验检验混流式流道方案的最优效率约74.2%，基本满足超小流量余能回收的需要。研究成果为超小流量余能回收水轮机的设计提供参考。     

用于冷却塔的超低比转数混流式水轮机设计

工业冷却塔的循环冷却水出口一般具有一定的富余水头（4~15m）。利用冷却塔的富余水头,开发一种超低比转数混流式水轮机,代替冷却塔中风扇电动机,可以达到节能的目的。结合冷却塔水轮机工作环境特点,进行了超低比转数混流式小水轮机全流道三维非定常数值模拟,重点对超低比转数小水轮机转轮叶片设计与优化。为了尽量减少水轮机尺寸,在结构设计方面提出金属梯形蜗壳和单列环形导叶。通过数值模拟对比分析确定最优性能的水轮机方案进行物模试验。通过物模试验证明设计的超低比转数混流式节能水轮机尺寸满足了冷却塔要求,效率高,性能稳定。     

叶片实体建模及模具加工

传统的离心泵叶片模具制造技术已不能适应现代水力机械高性能、高开发效率的要求。利用先进的三维实体建模软件，制作出离心泵转轮叶片的实体模型，然后将其分层处理，在激光成型机上利用燃 或凝固等技术逐层成形，最后将各层叠加即完成模具的制造，实现了转轮叶自主 的快速、准确成型，提高了设计开发效率。     

丰满电厂7号水轮机转轮叶片割边

水轮机增容常用的两种方法是更换新转轮和转轮叶片修形。通过更换新转轮增容方式是最彻底的,但工期长、人力投入和资金投入都很大。转轮叶片修形增容方法则投资少、见效快,适合于设计制造较早、参数标准较低、有增容潜力的水轮机。本文采用贴体坐标下的有限体积法和k-ε模型,对水轮机转轮内部的三维粘性流动进行数值模拟,科学合理地确定转轮叶片的切割量,实现水轮机增容,并将该方法应用于丰满七号水轮机。在水轮机转轮叶片割边增容改造中应用计算机数值模拟计算新技术,不仅提高了水轮机出力,实现增容目的,而且改善了机组运行性能,为老水轮机增容改造探索出一条新路。     

丰满电厂7号水轮机转轮叶片割边增容改造

水轮机增容常用的两种方法是更换新转轮和转轮叶片修形.通过更换新转轮增容方式是最彻底的,但工期长、人力投入和资金投入都很大.转轮叶片修形增容方法则投资少、见效快,适合于设计制造较早、参数标准较低、有增容潜力的水轮机.采用贴体坐标下的有限体积法和k～ε模型,对水轮机转轮内部的三维粘性流动进行数值模拟,科学合理地确定转轮叶片的切割量,实现水轮机增容,并将该方法应用于丰满7号水轮机.在水轮机转轮叶片割边增容改造中应用计算机数值模拟计算新技术,不仅提高了水轮机出力,实现增容目的,而且改善了机组运行性能.