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。     

水轮机槽道内导叶动态绕流水力特性大涡模拟分析

为进一步探索水轮机导叶在调节过程中产生强瞬变流时水流和导叶间的非线性流固耦合机理,该文基于大涡模拟和二维瞬态N-S方程,应用ANSYS FLUENT软件中的任意拉格朗日-欧拉动网格技术和非迭代时间推进格式对槽道内导叶的关闭运动过程进行数值模拟,研究导叶绕流后的流场动态变化水力特性及涡激振动特性。结果表明:导叶关闭过程中槽道内的压力场、速度场、涡量场呈现出明显的非定常特征;卡门涡频率约为水轮机转轮转频的0.3倍,极易诱发低频压力脉动,随着关闭时刻的结束导叶后尾迹涡形态呈现出明显的卡门涡脱落过程;关闭过程中转动导叶的升、阻力系数随时间表现出非线性动力响应特征。揭示了低频压力振荡的产生与导叶调节关闭动作后导叶尾部的卡门涡列有关,卡门涡列诱发的非线性流激振动是影响水轮机水力稳定性和上游管道系统水力共振的主要因素。该方法可为有效模拟水力机械瞬态非线性流固耦合问题提供参考。     

自由液面及水体重力对贯流式水轮机叶片应力应变的影响

贯流式水轮机在实际运行过程中受力不对称,这使得叶片容易出现疲劳损坏、裂纹等问题,为准确地揭示贯流式水轮机内部流动状态,分析水轮机振动及叶片疲劳损坏的内在原因,该研究在考虑上下游库区自由液面及水体重力的情况下对灯泡贯流式水轮机进行真机流动性能的数值研究,并采用流固耦合的方法对不同工况下转轮叶片进行应力应变分析。结果表明：受水体重力产生的静水压力影响,贯流式水轮机叶片旋转的过程中经历周期性的压力波动,且水头越低、转轮淹没深度越大,叶片表面所承受的压力波动幅值越大;叶片的形变量沿半径方向逐渐增大,叶片位于0°位置时,静水压力方向与叶片表面动水压力方向一致且相互叠加,使得叶片产生最大形变量,叶片处于180°位置时,静水压力推动叶片转动有助于缓解叶片发生形变;由于悬臂梁结构的叶片在轮缘处的应力可以通过形变量得到释放使得此处等效应力接近为0,随着半径的减小等效应力逐渐增大,叶片靠轮毂处受枢轴的约束而使得此处应力出现最大值;水头的增加导致转轮淹没深度减小,使叶片表面承受的静水压力减小,因此叶片上的最大形变量及最大等效应力均有所减小。研究结果对贯流式水轮机转轮叶片设计优化、运行维护具有理论指导意义。     

基于TBR模型的高水头混流式水轮机水力性能预测

叶轮机械的瞬态计算对于捕捉转子与定子之间的周期性扰动是十分必要的。为了避免共振,转子与定子数目一般是互质的,使得周期性边界条件失效,瞬态模拟必须对全通道进行计算,以保证转子与定子之间的螺距比为1,从而确保上下游信息的准确传递,因此计算资源消耗较多。该文基于k-ωSST湍流模型,分别采用传统全通道计算方法、TBR(transient blade row)模型中的单通道PT(profile transform)方法以及双通道FT(fourier transform)方法,对Francis99混流式模型水轮机进行了性能及负荷预估,并与试验值作对比。PT方法通过在交界面上按照角度比进行变量的比例缩放而保持上下游通量的守恒,FT方法采用傅里叶级数的相变周期性边界条件来解释转子与定子之间螺距比不为1的问题,对周向边界和转静边界进行求解历史的重构。数值计算采用变量边界条件(profile boundary conditions-PC)进口给定质量流量及速度方向矢量,出口给定静压。与试验值作对比,全通道计算法、PT方法以及FT方法均能较准确地预测水轮机效率、不同测点平均压力,而且3种数值方法获得的流道内压力及叶片负荷分布差别不大。FT方法计算的叶片合力及扭矩随时间变化与全通道比较一致,仅仅在变量脉动上小于全通道,而PT方法在脉动及频率上均存在较大偏差。压力脉动频谱特性方面,FT方法与全通道主频及幅值接近,且与试验结果比较吻合,而PT方法由于交界面上变量的缩放,静止域与旋转域内均捕捉到叶片通过频率,且幅值低于全通道及试验值。此外,相同计算条件下,全通道计算、PT方法以及FT方法计算所需时间比为1:0.375:0.23。综合评估分析,FT计算结果与全通道以及试验结果一致且消耗更少的计算资源,在水轮机的瞬态计算有一定的潜力和优势。     

混流式水轮机主轴中心孔补水对尾水管性能的影响

混流式水轮机在低负荷工况下运行时,尾水管内出现旋转的偏心涡带,会引起强烈的压力脉动和振动,严重威胁厂房的安全。为了使机组稳定运行,该文提出了一种通过从上冠泄水锥引入高压补水的方法来降低尾水管的不稳定性。该文首先采用商业软件CFX16.0,对某电站混流式水轮机在低负荷工况下进行了可靠而准确的全三维非定常数值模拟,结果表明在该工况下尾水管内部存在明显的偏心涡带,并伴随着振幅较大的压力脉动,这与试验结果相吻合。其次,对该工况下不同补水流量进行了数值模拟计算,研究表明:尾水管内补高压水可以有效降低尾水管内部的流动损失,且随着补水量的增加而越小,但过大的补水量会引起叶片正背面压力的降低,影响水轮机的空化性能,故补水量的大小必须综合考虑;主轴中心孔高压补水可以增加转轮出口的轴向速度,从而改变涡带内速度场的分布,可有效消除回流现象,当补水流量过小时,抑制回流作用不明显;当补水量为进口流量1%时,尾水管内部压力脉动振幅变化不大,改善效果不明显;当补水量为进口流量3%时,尾水管内部涡带由双螺旋变成单螺旋,锥管段压力脉动振幅不减反增,不稳定性有所加剧;当补水量为进口流量5%时,尾水管内部压力脉动振幅从18.4%降低至1.63%,同时改变了压力脉动的主频,使其远离转轮主频,避免发生共振,提高了机组的稳定性。     

混流式水轮机的三维湍流流场分析与性能预测

用数值方法研究混流式水轮机各通流元件内部流场是优化其设计的重要手段。该文基于Navier-Stokes方程和k-ε紊流模型,采用贴体坐标和交错网格系统,用SIMPLEC算法对一模型混流式水轮机引水元件、转轮和尾水管进行了联合计算与转轮单流道计算,数值模拟了水轮机各通流元件内部三维湍流流场,预测了水轮机的能量性能和空化性能,并与水轮机模型试验结果进行了对比。该文的水轮机计算效率与实测效率非常接近,各工况最大相对误差为0.9%;计算的初生空化系数与实测临界空化系数之比为1.57～1.99,符合实际。研究结果表明,该文提出的多部件联合计算与转轮单流道计算相结合的方法,可节省计算资源且精度较高,并具有良好的工程适用性。     

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。     

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。     

多能互补条件下转轮优化对水轮机低负荷区稳定性能的影响

多能互补系统中新能源发电的不稳定性使得作为调能机组的水电机组频繁在水力效率低、振动剧烈的低负荷区运行,严重影响机组的寿命。该研究以多能互补系统中的混流式水轮机为研究对象,在前期考虑工况权重系数的转轮多工况优化设计结果基础上,对比分析了优化前后转轮叶片的几何参数变化,不同负荷区的水轮机内部流动状态及压力脉动特征差异。研究结果表明：优化后叶片包角、安放角以及叶片长度均有所增加,叶片表面压力分布及转轮进出水边速度矩分布更加均匀,有助于改善水轮机低负荷区的空化性能、提高能量转换能力。转轮进出口安放角的增加很好地抑制了转轮进口背面脱流涡及出水边的脱流涡区,改善了尾水管的入流条件,使得尾水管涡带的强度和影响范围明显减小。叶片优化后,转轮内各频率的压力脉动幅值均有不同程度的降低,尾水管内压力脉动改善明显。尾水管内0.2fn（fn为转频）和14fn压力脉动在低负荷工况（OP1）幅值降幅分别为45%和40%,额定工况（OP4）尾水管内0.2fn压力脉动基本消除,14fn压力脉动幅值降幅为31%。本文所得研究结果对多能互补系统中水轮机转轮的设计优化及运行具有参考意义。     

轴流泵叶轮导水锥型式对叶轮水力性能的影响

为探究轴流泵叶轮导水锥的设计方法,揭示导水锥流场的内部流动特性以及不同型式导水锥流场与叶轮流场之间的相互影响关系,并对导水锥头部圆整问题进行初步探索,该文基于三维不可压缩流体的雷诺平均N-S方程和k-ε湍流模型,采用6种型式的导水锥,利用Fluent软件对各型导水锥流场及其叶轮流场进行三维流场计算。结果表明:出口流场均匀性最好的维多辛斯基式导水锥的叶轮水力效率最高,而出口流场均匀性最差的直锥式导水锥叶轮水利效率最低。叶轮对水流的预旋作用对导水锥流道出口断面轴向速度分布均匀度影响较大,而对速度加权平均偏流角和水力损失的影响很小。同时,水流预旋对导水锥出口流场的轴向速度影响较大,切向速度影响较小。导水锥流场液流越近叶轮,其受叶轮旋转的影响越大。适当增加导水锥的长度可提高叶轮水力效率,但导水锥长度过长会导致水力损失增加,建议导水锥长度最佳取值范围为叶轮外径的0.5~0.7倍。导水锥头部的圆整,可有效消除因尖锐头部造成的逆压梯度,从而减少流场的不稳定性。随导水锥头部圆整长度的增加,导水锥的水力损失降低,叶轮水力效率升高。建议导水锥头部圆整位置距导水锥头部应为导水锥长度的1/8~1/7倍。研究可为高效轴流泵水力模型设计提供参考。     

风电机组尾流与疲劳载荷关系分析

为了研究风电机组尾流对下游风电机组载荷的影响,假设了几个重要尾流参数:上下游风电机组间距、上游风电机组推力系数、湍流强度等。采用Bladed软件和Matlab幅频程序,分别对1.5与3.0 MW双馈式风电机组进行各参数与载荷响应的关系计算。结果表明:风轮处风速会随着推力系数的增大非线性减小;风电机组处于尾流影响范围内时,在风速和推力系数相同的条件下,通常湍流强度受尾流影响后减小使载荷增大,但当推力系数对载荷的影响起主导作用时,虽然湍流强度受尾流影响后减小但载荷会增大;当风速大于额定风速时,应采用变桨控制减小推力系数,以减小风电机组的疲劳损伤。     

双向潜水贯流泵装置性能试验与数值分析

该文针对城市防洪排涝泵站的特点,研发了2套双向潜水贯流泵装置,并采用CFD(computational fluid dynamics)技术计算了双向潜水贯流泵装置的内流场,分析了灯泡体段对泵装置正反向运行的影响,包括灯泡体段的水力损失、导叶体内部的流态及"S"形叶轮的水力性能,并经试验验证分析了数值计算结果的有效性。计算结果表明,反向运行时导叶体内部流态较好,反向运行工况优于正向运行;正向运行工况流量为4和5m3/s时,导叶体内均出现涡旋;灯泡体支撑件对"S"形叶轮的水力性能影响极小,但对泵装置水力性能影响较大;正向工况时"S"形叶轮所受轴向力小于反向工况。通过泵装置模型性能试验比较了2套泵装置的综合水力特性指标,并给出了供参考的潜水贯流泵装置的结构尺寸,其中导叶体扩散角为3°,灯泡体长度为2.43D、灯泡体直径为0.46D、泵装置总长为13.45D(D为叶轮名义直径),灯泡体采用流线型尾部及5片支撑件。     

竖井与轴伸贯流泵装置水力特性比较

为比较竖井与轴伸贯流泵装置的水力特性,借助大型商用CFD软件在水泵水力模型、导叶以及流道总长度保持不变的情况下,对竖井和轴伸贯流泵装置进行了数值仿真模拟计算,并对竖井式贯流泵装置外特性进行了试验验证,试验结果表明设计工况点扬程和效率的模拟结果和试验误差在1%以内,非设计工况误差偏大。计算结果表明:进水流道水力损失较小但是能够影响着水泵性能的发挥,竖井与轴伸进水流道出口的面积加权均匀度分别为92.8%、95.2%,1.25倍设计流量工况下,叶轮的效率在竖井内比在轴伸贯流泵装置内效率最多低1.3%。出水流道的水力损失较大并影响着泵装置的性能曲线,轴伸与竖井出水流道水力损失最大值出现在0.59倍设计流量工况点,此时轴伸出水流道内水力损失值为0.459 m,竖井直管出水流道内水力损失值为0.741 m,轴伸贯流泵装置效率比竖井高了3.5%。算例中扬程以1.27 m为分界线,扬程低时竖井贯流泵装置整体性能较好,扬程高时轴伸贯流泵装置性能较好。该研究可为低扬程泵站的选型提供参考。     

波浪高度及方向对桩柱式围网养殖系统网片水力特性的影响

浅海围网养殖是一种生态型养殖模式,桩柱式围网是其中最为典型的模式之一,主体由排桩和网片组成。围网网衣系统安全是决定围网工程安全的关键所在。针对桩柱式围网,采用数值模拟方法对其主要构成部件单元网片在波浪条件下的变形和受力等水力特性进行了研究,重点分析了波高(1、2、3、4、5 m)和波向(10°、30°、50°、70°、90°)条件下围网网片的网线张力分布、结节偏移和桩柱系缚点受力特性及影响关系。结果表明,桩柱式围网单元网片的网线最大张力部位主要出现在网片上端两侧位置,应用时建议强化顶部纲绳的设计考虑;波向为30°~70°时,网线最大张力有一段较小的增加量,而结节最大偏移随波向的增大而增大;网片与桩柱系缚点的最大受力呈现两端大中间小的现象,建议强化顶部和底部系缚点。以上研究结果可为桩柱式围网工程设计与安装提供参考。     

转速对离心泵作透平性能影响的试验与分析

为揭示转速对泵作透平效率的影响规律,该文以一比转速为66,叶轮采用透平专用叶轮的离心泵反转作透平为对象,完成了900到2 100 r/min间隔300 r/min,共5个不同转速运行试验与数值模拟。结果表明:不同转速下,透平扬程与轴功率均随流量增大而增加,效率曲线先上升后下降。CFD计算值与运用比例定律理论计算值较吻合,但CFD不能完全客观反映变速对效率的影响。试验性能参数与运用比例定律理论计算值存在一定偏差,流量偏差最小,扬程偏差其次,轴功率偏差最大。额定转速运行时,试验最高效率为69.83%;降20%与40%转速运行时,效率较额定转速时分别下降了2.82%与6.34%。分析表明,降速对容积与机械效率呈负影响,而一定范围内升速对效率呈非线性正向影响。透平部分工况运行时,偏离额定工况越远,效率下降越明显,降速运行对提高效率效果越显著。在水力条件及强度均满足的前提下,透平尽量维持或略高于额定转速运行,有利于能源的高效利用。研究结果对透平高效经济运行具有参考价值。     

泵轮轴向振动条件下高速液力耦合器特性

针对泵轮轴向振动条件下高速液力耦合器特性问题,基于RNG k-ε模型、流体体积法(volume of fluid,VOF)两相流模型、动网格技术、压力隐式算子分裂(pressure-implicit with splitting of operators,PISO)算法和变时间步长法对液力耦合器泵轮在轴向振动条件下的内流场进行数值模拟,通过试验完成对模型的准确性验证。分析液力耦合器流道内部两相流动规律以及受力特性,结果表明:与径向振动相比,相同振幅条件下的轴向振动对循环圆内流量脉动和泵轮、涡轮转矩影响较大;额定转速越高,其泵轮、涡轮转矩脉动幅值、轴向力波动范围越大;振动频率越大,泵轮、涡轮转矩偏差越大;轴向振动幅值越大,泵轮涡轮转矩波动范围越大。从减小转矩波动范围和轴向力的角度控制轴向窜动值不应超过0.04 mm较为合适。