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。     

反转双涡轮机械非定常流动与干涉控制

为了大幅度提高水力机械的动力性能及运行稳定性,开发研制了反转双涡轮灯泡贯流式水轮机组.水轮机的前后涡轮均采用可动翼型,依新提出的翼型公平负荷设计方法,寻求两涡轮间欧拉能量需求及交换的合理化,在严密取得欧拉能量均衡之下设计两涡轮由轮毂至轮缘的翼型形状;接着通过非定常流动数值解析探讨双涡轮水轮机的欧拉能量平衡程度及干涉控制效果.研究结果表明：流量相等、落差相同、几何尺寸与单涡轮相同时,前后涡轮出力相加动力输出增为2倍.分析了两涡轮间、后涡轮出口与尾水管入口间的非定常流动干涉现象,得到了如下的结论：新开发的双涡轮间流动干涉程度非常小,协联工况时水力脉动只为各落差的2%程度左右,未见压力突变的发生,亦可以说干涉程度得到了成功的控制;反转两涡轮之间的动力矩相平衡,因此稳定性好.     

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。     

贯流式水轮机低频脉动及尾水管涡带特性研究

为了研究贯流式水轮机内部低频压力脉动特性,针对某电站贯流式水轮机进行了非定常数值计算,分析了不同工况下水轮机内部的压力脉动特性,揭示了贯流式水轮机低频压力脉动产生的机理,并提出了改善低频脉动的方案。研究表明,在额定工况和小流量工况下,水轮机内部的压力脉动主要受到叶片通过频率(5.26 Hz)以及低频脉动(0.20 Hz)的影响,低频脉动的幅值从水轮机进口到出口逐渐增加,且小流量工况的低频压力幅值较额定工况高;不同工况下,水轮机尾水管内均存在一个与转轮旋转方向一致的螺旋状偏心涡带,该涡带按一定周期演变,其对应频率为0.22 Hz,与低频压力脉动频率(0.20 Hz)较为接近,因此可以说明该水轮机内部的低频压力脉动是尾水管涡带引起的;为了减小水轮机低频压力脉动系数幅值,提出了一种在尾水管内增设导流板的方案,该方案能有效降低由尾水管涡带引起的低频压力脉动系数幅值,导流板通过降低尾水管内的涡带能量,达到消涡目的。研究结果可为贯流式水轮机组的稳定运行提供依据。     

水轮机尾水管涡带压力脉动同步及非同步特性研究

尾水管涡带是混流式水轮机在部分负荷工况运行时尾水管内出现的一种螺旋状涡旋运动,其诱发的压力脉动对水轮机运行稳定性有直接影响且易造成疲劳破坏。基于SST k-ω湍流模型对运行在42. 35%额定功率的某混流式模型水轮机进行了尾水管内部流动特性的试验测试与数值研究,数值压力脉动幅值及主频与试验测试吻合度好,误差分别约为2. 70%和2. 62%。尾水管内出现进动涡带时,测点压力均作0. 25倍转频的周期性脉动,涡带扫过测点时,其压力最低。位于涡带运动轨迹附近的压力测点,其压力幅值最高。为了进一步阐明尾水管涡带的复杂流动特征及其动力学特性,将尾水管压力信号分解为同步分量及非同步分量。研究发现,分解后的非同步分量对原始信号有较强的依从性,其幅值较高且保持主频为0. 25倍转频,而同步分量主频发生变化且压力脉动幅值较小,表明非同步分量对尾水管涡带的形成贡献大于同步分量。尾水管锥管段不同高程上同步及非同步分量幅值的量化分析表明,非同步分量幅值绝对占优,沿流动方向非同步分量幅值先增大后减小,而同步分量幅值逐渐增加。     

水泵水轮机在水轮机工况下压力脉动特性

为了研究水泵水轮机在水轮机工况下的压力脉动特性,采用SST k-ω湍流模型对模型水泵水轮机在水轮机工况下的三维非定常湍流进行模拟.在试验验证的基础上,通过调整活动导叶的开度以实现机组不同的运行工况,分析了3种流量工况下导叶、转轮和尾水管内的压力脉动规律.结果表明,尾水涡带形态和旋转方向对机组压力脉动的影响很大:在小流量工况下,尾水涡带为螺旋状,旋转方向与转轮转动方向相同,转轮出口产生强烈的低频压力脉动,转轮叶片上的压力脉动频率约为转轮转频的0.62倍,尾水管压力脉动主频约为转轮转频的0.36倍;在最优工况和大流量工况下,尾水涡带变为管状,转轮出口压力脉动幅值变小,在转轮叶片表面检测到与尾水管压力脉动主频相同的压力脉动;大流量工况下涡带旋转方向与转轮旋转方向相反,尾水管内压力脉动的最大值出现在弯肘段区域.     

轴向射水减弱尾水管低频压力脉动试验

设计了一种从蜗壳引水通过泄水锥向尾水管内进行轴向射水的结构,实现减弱尾水管内低频压力脉动.对轴向射水和无射水情况下混流式水轮机内部压力脉动进行了模型试验研究.分析了4种部分负荷工况轴向射水和无射水时水轮机内部压力脉动幅值特性和频率特性,研究了轴向射水减弱尾水管低频压力脉动的效果.研究表明,在部分负荷工况下尾水管中存在螺旋涡带并引起尾水管壁处强烈的低频压力脉动,其频率约是1/5转频,该低频压力脉动是引起水轮机不稳定运行的主要原因;实施轴向射水后,在各部分负荷工况尾水管中低频压力脉动幅值都有明显减弱,但涡带频率基本保持不变.轴向射水使涡带向下游移动并对双涡带结构起到抑制作用.     

蜗壳轴向出流式低比转数水轮机设计与数值模拟

基于流体机械设计理论和数值模拟分析方法,设计了一种新型低比转数水轮机,其不仅适用于小水电机组的更新完善,也可作为冷却塔风机的直接驱动装置。该水轮机采用蜗壳轴向出水方式,使其径向尺寸约为相似常规水轮机的1/2,除降低造价成本外,更有利于冷却塔内通风;为适应冷却塔内部结构,采用反击式环形叶片作功,在很大程度上降低了水轮机径向尺寸;对应水轮机转轮出水形式,环形尾水管进水模式将尾水接入对称布置的4个布水管,均匀出水结构在很大程度上改善了尾水管内流场,同时可使水轮机直接安装在中心基座上。数值模拟结果表明:蜗壳出口速度满足等速度矩定律,采用轴向出水方式的反击式水轮机的流场分布符合要求;水轮机预测效率约90%,各部分水力损失均较小。     

长短叶片混流式水轮机内部流动数值预测

为研究长短叶片混流式水轮机的内部流动特性,基于CFX软件平台,运用N-S方程和SST湍流模型,对HLA542-LJ-130长短叶片水轮机全流道典型小流量工况进行三维湍流计算,得到了水轮机各过流部件内流场的流动信息.计算结果表明,从固定导叶到活动导叶出口,速度矢量随压力降低而均匀增大,而且压力和速度分布在圆周方向的周向性较好,从叶片进水边到出水边,长短叶片压力变化为均匀减小,压力分布比较合理,叶片工作面表面没有明显的回流和二次流,流线分布较为流畅,尾水管进口压力、速度分布基本对称,压力沿径向分布比较均匀,尾水管肘管之前有与转轮旋转方向相同的涡带,涡带在尾水管中发展至尾端,但没有明显的偏心,在扩散段内逐渐减弱.研究结果对高水头水电站的水轮机选择和设计具有重要的指导意义.     

长短叶片混流式水轮机全流道内部流场数值模拟研究

为研究某电站长短叶片混流式水轮机内部流动特性,利用仿真模拟软件CFX,基于N-S方程和标准k-ε湍流模型,在典型小流量工况下,对水轮机蜗壳进口到尾水管出口的全流道内部流场进行三维湍流计算,得到水轮机各过流部件的流动情况。计算结果表明,蜗壳内静压分布沿向心方向均匀降低,速度矢量均匀增大。导叶间速度和压力在圆周方向对称性良好,进出口无明显漩涡。长短叶片表面压力分布合理,工作面无明显回流及二次流。尾水管内流线顺畅,呈中心对称分布,速度沿向心方向均匀减小。各流线回旋形成较为对称的涡带,且涡带中心无偏移,管内无明显回流。研究结果对该水电站水轮机日后运行维护具有重要的指导意义。     

导叶不同开度下水泵水轮机内流特性分析

为研究预开导叶不同开度下的内流特性,以某抽水蓄能电站水泵水轮机模型为研究对象,基于SST k-ω湍流模型,进行预开导叶不同开度下全流道三维非定常数值模拟和分析,并与试验结果进行对比验证.探讨活动导叶与转轮之间,以及转轮内的旋涡分布情况,定量分析了转轮受力情况和尾水管压力脉动.结果表明:在同步导叶开度一定的情况下,随着预开导叶个数的增加,其过流部件的流量将会增大,且存在于活动导叶和转轮区域的高速水环也会被破坏,形成紊乱的旋涡.从转轮区域看,在叶片的液道内形成不同的涡结构,其分布的不均匀性将直接影响转轮的受力情况.随着预开导叶个数的增加,这种情况将更为明显,转轮径向力的幅值逐渐增大.进一步分析尾水管压力脉动发现,尾水管压力脉动幅值也随着预开导叶个数的增加而增大,从而导致机组振动加剧、运行不稳定.     

抽蓄电站全过流系统水泵工况停机过渡过程CFD模拟

通过建立某抽蓄电站全过流系统的几何模型,将VOF两相流与单相流流动模型相结合,采用三维非定常流动过渡过程研究方法对泵工况停机过渡过程进行数值计算,获得了机组转速、流量、转轮力矩,以及若干测点压力脉动等参数随时间的变化过程和不同时刻的流场演变规律,并将结果与电站原型试验资料进行了对比.结果表明:机组转速变化规律、蜗壳和尾水管进口压强极值与试验结果基本吻合;抽蓄电站泵工况停机过程中,蜗壳进口和尾水管进口压强变化明显受活动导叶关闭规律的影响,而转轮与活动导叶之间的压强主要受机组转速的影响;随着活动导叶的关闭,当流量小到一定值后,水流主要通过尾水管内侧流向上游,而外侧水流会与转轮同向旋转;导叶全关后,尾水管内的旋涡是导致其能量损耗的主要因素.     

导叶叶片数及导叶相对位置对低扬程轴流泵装置性能的影响

为研究导叶叶片数及导叶相对位置对轴流泵装置性能的影响,设计了3个不同导叶数方案和4个不同导叶相对位置方案,采用计算流体动力学软件分别对每个模型在0.8Q_d~1.2Q_d之间的5个工况进行计算.根据数值计算结果,选择最优模型,即导叶数为5,叶轮出口距导叶距离为0.086D的泵装置模型进行能量特性试验,并将试验结果与数值计算结果进行对比分析.结果表明:当轴流泵叶轮叶片数一定时,增加导叶数,将使导叶水力损失增大,出水流道水力损失增大,泵装置效率将下降;当叶轮叶片数和导叶数一定时,叶轮出口至导叶进口距离过大或过小时,将使导叶水力损失增大,导叶出口速度环量减小,出水流道水力损失增大,泵装置效率将下降;试验结果与数值计算结果的误差在4%以内,验证了数值计算的可靠性、准确性.研究结果可为泵装置的导叶水力设计和效率提高提供一定参考.     

异常低水头对水泵水轮机压力脉动的影响

为研究水泵水轮机在异常低水头时的压力脉动特性,采用Realizable k-ε湍流模型对水泵水轮机运行于低水头的4个工况点进行了非定常数值计算,得到了蜗壳进口、导叶后转轮前、尾水管的锥管上游和肘管内侧4个监测点的压力信号,并与试验结果进行对比.重点考察了导叶开度37 mm、单位流量0.865 m³/s工况点的压力脉动时域和频域特征.研究结果表明:在异常低水头下,Realizable k-ε湍流模型能够精确地模拟大开度时水泵水轮机的压力脉动;蜗壳入口的压力脉动比较紊乱,在机组刚开启阶段脉动值较大,蜗壳进口压力脉动主频为转频19.78 Hz,说明在此工况下水泵水轮机蜗壳进口的压力脉动受到下游转轮转动的影响;导叶与转轮之间无叶区的压力脉动受到转轮与活动导叶之间的动静干涉作用,呈周期性变化且其主频为叶片通过频率;由于尾水管内部流动及涡带的作用,尾水管内的压力脉动为低频脉动,其主频约为0.35倍转频.     

水泵水轮机转轮区域脉动特性分析

为了揭示水泵水轮机转轮区域压力脉动特性,选取模型水泵水轮机为对象.基于Realizable k-ε湍流模型,对模型水泵水轮机不同运行工况进行三维非定常数值计算,研究水泵水轮机在不同水头下带部分负荷时转轮区域的脉动特性.研究结果表明:30%负荷情况下,随着水头的增加转轮区压力脉动逐渐剧烈;在1个周期内,转轮上冠的压力脉动在时域特性上呈现周期性变化,而转轮出口轴线和与尾水管交界面处压力脉动在时域上相对紊乱;转轮上冠处压力脉动从进口边到出口边逐渐增大,其主频都为叶频,转轮出口边轴线上压力脉动都属于低频脉动,沿着负Z轴方向压力脉动幅值逐渐减小,转轮与尾水管交界面上压力脉动主频随着水头的增加逐渐减小,幅值的变化规律却相反.     

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.