导叶开度对混流式水轮机转轮应力应变的影响

为了研究混流式水轮机转轮应力及变形情况,基于单向流固耦合理论,利用Workbench平台对其进行数值模拟.在模拟过程中首先利用ANSYS CFX软件,采用标准k-ε湍流模型对水轮机三维流态进行计算,其次通过Static Structural将流场水压力传递到转轮表面,进而进行耦合计算并得到了转轮应力和变形分布规律,最后通过试验结果对数值计算结果进行验证.研究表明:在100%开度下,从最低水头到额定水头、从额定水头到最高水头,转轮最大主应力与等效应力分别增大了9.8%,15.9%.另外在不同导叶开度下,水轮机转轮叶片瞬态较大变形、最大主应力以及最大等效应力均主要集中在叶片出水边与泄水锥交界处和叶片出水边靠近下环处,且随着导叶开度增大这些值均逐渐增大,特别在叶片出水边靠近下环处,由于该位置较薄,且在交变应力的反复作用下,该位置易发生疲劳破坏,因此更易出现裂纹和断裂.     

导叶开度对混流式水轮机转轮叶片表面空化性能的影响

由于在一些中小型水电站中,其水轮发电机组的转轮叶片表面常常会发生空化现象,较大程度地影响了机组的安全可靠运行。从某水电站的转轮叶片空化问题出发,首先对该混流式水轮机进行三维建模,然后进行全流道数值模拟,分别对不同导叶开度下转轮叶片表面压力、空泡体积分布规律进行分析。研究发现:随着水头的增加,吸力面低压区面积进一步扩大。特别是40%开度时叶片吸力面低压区面积增大最多,且随着水头的继续增加,低压区有向叶片中部移动的趋势;同时在40%开度下叶片表面空化受水头影响较大,而在100%开度下叶片表面空化受水头影响并不大,但随着导叶开度的增大,叶片表面越容易发生空化,特别是叶片吸力面出水边靠近下环处空化更明显。研究结果可为该水轮发电机组的安全稳定运行提供理论参考依据。     

基于fluent的混流式水轮机稳定性分析

基于水力发电机组增容改造的要求,创建混流式水轮机三维几何模型,并基于CFD方法,对小流量、额定流量和新设计流量三种工况以及相对应的三种导叶开度,进行水轮机全流道数值仿真,结果表明现有机组可以满足新设计流量要求,但是在偏离工况下有脱流现象。     

混流式水轮机尾水管近壁湍流特性和流场结构研究

采用滑移网格技术以及基于Vreman亚格子模型的全局动态大涡模拟方法,得到了HLA551-LJ-43型水轮机小开度工况下全流道内速度、压力以及涡量的分布,同时捕捉到尾水区域高强度的近壁湍流特性以及独特的分离流动现象。计算结果表明,当高转速、小开度工况时,流道内流体的圆周速度占有绝对优势,流体进入尾水管后"被甩出"呈旋转下泄趋势,在锥管段和弯管段内产生了明显的分流,同时在尾水管中心区域形成一个较大的空腔涡带。该涡带的流动形式与常规工况差异较大,反映出小开度工况偏离最优工况最远,流道中流体的漩涡、脱流、分离间断和回流等各种水力不稳定现象更为剧烈和复杂,具有独特的流动形式,容易导致机组异常振动的发生。     

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.     

冷却塔中新型混流式水轮机设计

通过数值模拟和试验两种方法,开发出一种新型高比转速混流式水轮机,配备相应变比的减速器,代替冷却塔中的风扇电动机,以达到节能的目的.根据冷却塔水轮机工作环境的特点,为尽量减小水轮机尺寸,在结构设计方面提出了金属梯形蜗壳和单列环形导叶.通过数值模拟,分析了不同的导叶形式、转速、叶片安放角对水轮机性能的影响.通过对比,选取负曲度导叶形式,选择最优单位转速及叶片安放角,确定最优性能的水轮机数模方案.通过物模试验证明所开发的高比转速混流式节能水轮机尺寸能够满足冷却塔要求,其效率高,性能稳定,可以在有条件的地方推广应用.     

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。     

带分流叶片水泵水轮机小开度下非定常分析

为了研究带分流叶片水泵水轮机在小开度运行下各工况的内流特点及受力特点,以国内某带分流叶片水泵水轮机抽水蓄能电站的水力模型为分析对象,运用CFD数值模拟方法,采用SST k-ω计算模型,对其7.5°开度下的水轮机工况、制动工况和反水泵工况的内流特性进行了非定常数值模拟计算,分析了各工况下机组内部典型监测点的压力脉动特性及轴向力分布规律.结果表明:CFD数值计算能较好地模拟分析带分流叶片水泵水轮机的内流特性;在制动工况和反水泵工况下,转轮流道内出现明显的不稳定流动,二次流和涡结构充满整个转轮,进而引起水流拥堵,分流叶片可以使转轮的出水速度更加均匀;机组甩负荷运行进入制动工况后,转轮所受轴向力明显变大,并伴有负值出现,波动幅度也较大;分流叶片的存在可以预防转轮区出现负压,有助于降低涡结构的强度.     

混流式水轮机振动研究

该文根据混流式水轮机水力振动原因,针对止漏环间隙不均匀、尾水管涡带引起的压力脉动进行分析研究.说明混流式水轮机振动的原因主要是由自激振动和低负荷下尾水管涡带引起,并提出减少振动的措施应从消除不均匀的止漏环间隙和尾水管涡带等方面综合考虑.     

混流式水轮机全流道三维非定常湍

基于大涡模拟动态亚格子湍流模型和三维时均N-S方程,应用非结构网格的滑移网格技术,进行了混流式水轮机全流道动静干扰的三维非定常湍流计算。捕捉到了水轮机各过流部件内的流场随时间的变化情况。计算结果表明水轮机中的水流处于复杂的湍流运动状态,随着时间的推移,水轮机内部湍流运动变化剧烈,得到的计算结果更接近实际流场的分布。     

混流式水轮机上冠泄排水联合降压数值模拟

为研究中高水头混流式水轮机上冠流道内不同降压结构效果及优化可行性,以红山嘴一级水电站4号机为例,将利用UG建立的4类不同上冠流道降压结构模型作为研究对象,基于计算流体动力学（CFD）技术,采用剪切应力传输（SST）湍流模型对4类不同的上冠泄排水结构在7种流量下展开数值模拟,计算工况共计28种。研究指标为泄漏水流态分布特性、主轴密封下侧压力、上冠轴向水推力、梳齿环密封性能。结果表明：不同泄排水降压结构内的泄漏水流态存在一定差异;为改善水轮机主轴密封性能可采取含转轮泵的联合泄排水降压结构,该结构相比其他结构对降低主轴密封压力、降低上冠轴向水推力、减少上冠间隙泄漏量均有显著效果;调整转轮泵降压结构的泵叶或泵盖几何参数可达到优化目的;针对该电站主轴密封漏水问题,采取含转轮泵的联合泄排水降压结构可使主轴密封下侧压力平均降低15.98％左右、上冠轴向水推力平均降低52.99%左右,大大提高电站运行效率。该研究在传统的单一泄排水降压结构基础上增设了转轮泵,为中高水头混流式水轮机获得最佳综合效益及其改造优化提供了参考依据。     

Numerical simulation of cavitation turbulence in Francis turbine runner with splitter blades

Cavitation will reduce the turbine performance and even damage the turbine components. To verify the effects of splitter blades on improving the cavitation performance,the cavitation flow inside a Francis turbine runner with splitter blades was numerically simulated by using the Singhal cavitation model and the standard k-εturbulence model. The distributions of static pressure and gas volume fractions on the surface of the runner blades were predicated under different conditions,and the cavitation in the flow field of the runner was analyzed. The results show that the static pressure and gas volume fractions are more uniformly distributed on the short blades than those on the long blades in Francis turbines with splitter blades,and there is almost no cavitation on the short blades; their distributions are more uniform under small flow conditions than those under large flow conditions; and large gas volume fractions are concentrated at the outlet tip near the band on the suction side of the long blade. The installation of splitter blades can improve the cavitation performance of conventional Francis turbines.     

不同雷诺数下混流式水轮机密封间隙通道内流动特征分析

针对水轮机密封间隙流道空间尺度相差较大,为实现对间隙流道的整体精确计算,文中采用分步投影法,求解间隙流道内不可压缩的Navier-Stokes方程.为更好地捕捉到间隙通道内的涡结构特征,对梳齿密封间隙采用六面体网格划分,在壁面边界处进行网格加密.扩散项采用二阶中心差分格式,对流项采用Quick迎风差分格式.通过数值求解得到不同流动雷诺数下间隙流道内速度、压力及涡量的分布规律,同时得到顶盖压力、间隙流道产生的轴向推力和转轴力矩.计算结果表明：流体从间隙进入梳齿空腔后,形成典型的旋涡耗能结构而耗散部分动能,对降压节流起到主要作用,同时,雷诺数对腔体内的旋涡形态影响较大.计算结果有助于理解不同流动雷诺数下水轮机密封间隙渗漏流道内复杂流动的真实物理机理以及密封间隙对轴系结构动力学特性的影响.     

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.     

射水减弱混流式水轮机尾水管内压力脉动的数值模拟

选用RNGk-ε湍流模型,对一台混流式模型水轮机在部分负荷工况下的流动进行了全流道三维瞬态湍流数值模拟.数值计算结果与模型试验结果进行了比较,成功预测了水轮机尾水管内压力脉动的幅值与频率特性.从混流式水轮机泄水锥处向尾水管内射水可减弱尾水管内低频压力脉动,对射水后水轮机内的流动进行了数值模拟.计算结果表明,通过射水可以有效减弱尾水管内的压力脉动,减小压力脉动幅值.随着射水量的增加,压力脉动幅值减小更加明显,但是同时会导致水轮机效率的下降.为了尽可能大的减小压力脉动幅值,并兼顾水轮机效率,建议选择0.03～0.05倍该工况流量的射水量.此时,水轮机压力脉动幅值降低明显,而水轮机效率下降不大.