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。     

卧轴混流式水轮机前后盖板的自镗削装置

卧轴混流式水轮机前盖板(顶板)、与转轮上冠、下环的迷宫配合部位在运行中受泥沙磨损,使间隙增大。漏水量增加,造成效率下降;使较大颗粒的泥沙将进入前盖板内腔,加速其内表面的磨损;转轮背部水压上升,轴向水推力势必加大;瓦温升高,加速主轴密封的磨损。前盖板间隙的漏水量随     

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。     

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.     

导叶开度对贯流式水轮机性能及流动特征的影响

针对某型号贯流式水轮机,运用ANSYS CFX,分别在导叶开度为1 550,1 405和1 278 mm条件下,对水轮机内部三维流场进行全流道数值模拟,研究导叶开度对水轮机性能及流动特征的影响.通过分析对比3种开度下水轮机水头和效率,同时研究全流道截面压力、速度分布,导叶外环面压力分布,导叶叶片压力分布以及转轮叶片压力分布,得出开度为1 405 mm是与转轮匹配性最佳的导叶开度.进而对最佳导叶开度下水轮机在0.8Q,1.0Q,1.2Q这3种工况下的空化进行模拟,结果发现空化很大程度地降低了水轮机的水头和效率.同时对转轮、转轮叶片以及尾水管的空泡相体积分数的分布进行了分析,得知在设计工况下的空化程度最轻,小流量工况下的转轮内空化比较严重,而在大流量工况下,空化区从转轮出口延伸到尾水管内.     

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。     

混流式水泵水轮机全特性曲线S形区流动特性

混流式水泵水轮机转轮的离心效应较混流式水轮机明显,形成了全特性曲线上的S形特性。该S形区水泵水轮机流道内流动状况很不稳定,为了详细了解该区域的流动特性,选取等开度下水轮机工况、水轮机飞逸工况、零流量附近水轮机制动工况、零流量附近反水泵工况以及反水泵工况等5个工况点进行全流道定常流和非定常流数值分析。定常流动分析表明:全特性曲线上的S形区转轮和导叶流道内存在大量的涡,消耗了大量的水能,致使机组输出功率很小。非定常流场计算表明:在S形过渡工况区,蜗壳与尾水管直锥段内的压力脉动频率与幅值均相近,且幅值小;而导叶至叶片的无叶区和叶片进口的压力脉动幅值高,主要为高频脉动。     

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.     

水泵水轮机水轮机工况大流量区数值分析

为了研究水泵水轮机水轮机工况大流量区域的流场特性,依据某抽水蓄能电站水泵水轮机模型机进行建模,分别采用结构化和非结构化2套网格,基于剪切应力传输模型SST k-w和SIMPLEC算法对该区域流场进行了模拟,并与试验结果进行了比较验证,详细分析了大流量下转轮内部流动特性.结果表明：水泵水轮机进入大流量区后,由于流体相对转轮速度的不断提升,转轮流道内生成了周期性分布的涡结构并且涡结构不断增大,向流道出口边延伸,引起能量损失,导致转轮叶片压力面上流体速度的上升,进而对数值计算的网格质量提出了较高的要求,揭示了大流量区计算难度高的内在原因.结论可为水轮机工况大流量区域的数值计算和流场分析提供了理论依据.     

水动冷却塔直驱混流式水轮机转轮数值模拟优化

针对比转数仅有54的水动冷却塔直驱混流式水轮机,选取影响水轮机转轮效率的6个重要水力参数β1,β2,b0/D1,Φ/D1,Z,a/D1,每个因素取2个水平,设计L8（2^7）正交表,生成8个设计方案.通过CFD软件分别对8个方案的水轮机进行全流道数值模拟,采用理论分析和CFD技术分析转轮水力损失特性,对比其结果、优化转轮参数,再将优化后方案进行数值模拟和外特性试验,对比得到的结果,表明使用正交化方法结合CFD技术可在较少的试验方案下有效地改进水轮机叶轮水力性能,达到水轮机优化设计的目的.在设计流量点Q为5 000 t/h处,优化后的模型转轮输出功率为156.57 kW,水轮机效率达到86.51%;数值模拟效率比试验效率低0.11%,实测结果的基本趋势与数值模拟结果相一致.     

齿间间隙对双螺杆透平泄漏影响的数值模拟

为降低泄漏流对双螺杆液力透平效率的影响,以2/3齿双螺杆泵透平为例,根据双螺杆泵内齿间间隙的构成原理,首先建立其简化几何模型,利用透平腔内存在相对运动引起的剪切流动与各级腔室压差导致的压差流动理论,建立起齿间泄漏通道的数学模型.使用SCORG和Pumplinx软件对双螺杆液力透平进行全流场数值模拟,得到了双螺杆透平不同齿间间隙下的流场分布和流量变化规律.研究结果表明:不同间隙下螺杆的压力分布规律保持基本一致,每个密封腔室内的压力分布基本均匀,从进口到出口各相邻腔室的压力呈线性下降趋势;螺杆在齿间间隙附近出现多处泄漏通道,在各腔室压差的作用下,第一级腔内没有出现明显的高流速区域,从第二级腔内开始发生明显的高速泄漏;随着齿间间隙的不断增大,同一级腔内的齿侧间隙泄漏面积、泄漏速度以及流体从进口到出口的泄漏流量和容积损失都随之增大,当齿间间隙为0.04,0.08,0.12,0.16和0.20 mm时,由该间隙所造成的容积损失的值分别为4.03%,4.57%,5.00%,5.43%和5.72%.     

离心泵泵腔流道液体泄漏量试验与计算方法

设计了针对泵腔流道液体泄漏量测量的专用试验装置,采用改变叶轮轴向位置(即改变泵腔轴向间隙)来改变隙径比的方法,在间隙为0.2 mm、0.3 mm,长度为15 mm密封环条件下,对隙径比为0.127、0.101、0.076、0.051、0.025、0.006的泵腔流道的进出口液体压力和液体泄漏量进行了测试及分析,并提出了泵腔流道液体泄漏量计算公式及其速度系数的确定方法。结果表明:不同隙径比的泵腔流道液体泄漏量系数与压力系数的变化很有规律性,其关系曲线几乎是一些斜直线,但隙径比和密封环间隙对其有较大影响;在泵结构不变情况下,只减小泵腔轴向间隙就能有效地减少液体泄漏量,提高泵容积效率,泵腔轴向间隙最佳取值范围为1~5 mm。     

基于CFD的主轴密封泵板装置结构优化设计

为研究混流式水轮机主轴密封泵板装置内泄漏水流动特性,应用计算流体动力学软件,针对新疆红山嘴一级电站4号水轮机,将不同泵板装置作为研究对象,研究提高其水力效率的可行性以及对主轴密封降压的效果.在模型准确基础上对泵叶角度和泵盖高度分别改进,对两者联合结构共计22种改进模型进行数值模拟.研究结果表明:泵叶斜置45°且泵盖高度比为0.081 5的联合改进结构对主轴密封真空度提高率可达60.9%;泵盖高度比比泵叶角度改变对该装置水力效率提高更有利;泵盖存在“最不利高度比”,泵盖位置的确定需避免最不利高度比0.135 9.该研究结果将模型结构参数化使得结论的普适性有一定提高,为工程实际主轴密封设计改造提供了一定的理论依据.     

基于动网格的活动导叶流道内湍流场数值模拟

基于任意拉格朗日欧拉框架下的二维时均N-S方程,应用非结构动网格技术,对某型号混流式水轮机活动导叶单流道内的导水机构关闭过程,进行了动态湍流数值模拟.利用CFD软件Fluent 6.3,采用非结构化三角形网格,标准k-ε湍流模型和压力速度耦合的PISO算法,真实地模拟了导水机构关闭的动态过程中,活动导叶流道内的压力场和速度场的瞬态变化过程.数值计算结果表明,导水机构两段折线关闭过程中,随着活动导叶开度的减小,流场发展呈现明显的非定常特性,水流绕过活动导叶后出现强的旋涡,对过渡过程的动态特性产生了影响.该方法能有效地模拟由于活动导叶动作诱发的流场脉动.     

混流式水轮机尾水管旋涡流的LES

基于N－S方程和大涡模拟（LES）模型，采用贴体坐标和四面体网格系统，用SIMPLE算法求解，对混流式水轮机内部流动进行了三维非定常紊流计算，较准确地预测了一混流式水轮机在各工况下的内部流动，尤其是尾水管和转轮内的旋涡流动。     

级间间隙对新型井泵性能的影响

为了研究级间间隙对多级井泵性能及流场的影响,以采用叶轮极大直径设计法设计的QS-40-30-55新型井泵为例,应用Fluent软件对不同级间间隙下的模型泵进行了全流场数值模拟．分别从泵的外特性及内部流场分析了级间间隙对泵整机性能的影响,结果表明:在同一流量下,随着间隙的增大,泵的扬程与效率均降低,轴功率基本保持不变;导叶出口处的液体会沿着级间间隙回流,然后通过叶轮与导叶之间的空间流回到导叶中,使得导叶出口及下一级叶轮进口处的流动出现紊乱,增大了流动损失,从而使得泵的性能下降．通过样机试制及试验发现:泵的最高效率点偏向小流量,但也满足国家标准要求;在额定流量下采用两级全流场数值模拟,由于考虑了圆盘摩擦损失及级间间隙泄漏损失,其预测值与试验值相当接近,误差在1％以内,验证了数值模拟方法的正确性．研究结果对新型井泵的优化设计具有一定的参考价值．     

轴流泵叶轮端壁区流动特性数值模拟

轴流泵端壁区流动对流场结构、能量传输、水力效率等有着重要的影响。基于CFD技术和高质量结构化网格,对不同叶顶间隙的轴流泵方案进行了全流场数值模拟,探讨了叶顶间隙对端壁区轴面速度、环量等流动参数的影响规律,分析了叶顶泄漏涡的产生机理及其结构,并与高速摄影试验进行了对比。研究结果表明,端壁区叶顶间隙导致进口轴面速度非均匀分布和轮缘侧二次回流;叶轮出口的端壁间隙区轴面流动减弱,且叶顶间隙越大,轴面速度下降幅度越大;叶顶间隙附近的二次回流区使叶轮进口产生环量,当叶顶间隙增大至2 mm时,约50%的流动区域受到间隙的影响而产生预旋;端壁区叶顶泄漏涡的数值模拟运动轨迹及结构与试验一致,在小流量工况下,泄漏涡强度增强,且干扰流场范围扩大。     

JP75型卷盘式喷灌机水涡轮能量转换数值模拟分析

为了对JP75型卷盘式喷灌机水涡轮进行能量转换分析、参数优化及探究其内部流动性能,采用CFD技术,对转速为250 r/min下的水涡轮进行三维建模、多面体网格划分以及数值模拟.分析水涡轮压力云图和速度云图,发现进口管道中不合理的弯道、喉部、喷嘴设计导致了水涡轮运行效率偏低,来流中的压力势能未能转化为有效的叶片冲击动能,大量能量仍以势能的形式储存在液流中.分析过流断面流线图,发现叶片间隙及出口管道入水口处有大量涡旋产生,造成部分能量损失,从而表明现有的JP75型水涡轮进出口设计和叶片设计需要改进.对进水管道喉部之后的射流段和转轮这两处进行能量转换计算,平均效率分别为26.31%和45.44%,转换效率明显偏低.对现有JP75型卷盘式喷灌机水涡轮进行了参数优化设计,经计算,初步确定了优化模型的标称直径为0.201 m、射流直径为0.021 m、设计水头为13.65 m.     

进水方式对卷盘式喷灌机水涡轮水力性能影响的数值模拟

为揭示卷盘式喷灌机切击式与蜗壳式水涡轮的内部流态特征与水力性能差异,在叶轮与出水管道相同的情况下,采用基于SST k-ω模型的数值模拟方法,对2种进水方式的水涡轮内部流动进行计算分析,并将切击式水涡轮外特性预测结果与试验数据进行对比验证.结果表明:切击式水涡轮叶轮流道内存在大尺度回流旋涡和强烈的叶片侧端间隙泄漏流动,蜗壳式水涡轮叶轮内部压力与流线分布相对均匀,叶片侧端间隙泄漏流动沿周向无显著差异;不同流量下,切击式水涡轮各主要过流部件的水力损失占比基本保持恒定,叶轮内水力损失约占总水力损失的55%,蜗壳式水涡轮各部件水力损失的占比随流量发生变化;2种进水方式的水涡轮外特性曲线变化趋势基本相同,相同工况下蜗壳式水涡轮的效率相比切击式水涡轮效率高18%~22%,两者最高效率分别为35.6%和59.6%.研究结果可为卷盘式喷灌机水涡轮水力设计及结构改进提供一定依据.