水电机组空蚀在线监测装置开发与应用

水电机组空蚀是影响机组出力和效率的重要因素,因此对水电机组空蚀在线监测非常必要。介绍了空蚀对水轮机的破坏机理,水电机组空蚀在线监测装置的组成及应用。空蚀监测装置可以进行实时数据采集、存储和在线监测,能分析不同工况下的空化强度指标,掌握机组空蚀的发展趋势,为指导机组检修进行了有益的探索。     

工质为浑水时水泵与水轮机的空化与空蚀

对工质为浑水时水泵与水轮机的空化与空蚀进行了试验,结果表明,泥沙表面缝隙中寄存有许多气核,当压力降低时气核膨胀形成气泡,进而脱离沙粒表面发生空化;当沙质、水温一定时,浑水的空化压力特性完全由站址所在地的海拔高度、泥沙质量浓度、泥沙粒径等3个要素决定;在前两个因素一定的情况下,泥沙颗粒越小,即泥沙越细时,初生空化压力与临界空化压力越高.浑水时气核数量远多于清水;浑水发生空化时,气泡溃灭引发的夹沙射流强度大于清水射流,由于这两个因素致使在含沙水流工作的水泵与水轮机,在相同的装置条件下,空蚀破坏较清水时强烈.目前,空化流场计算和空化数计算都存在着把空化压力取做海拔高度为零时清水的汽化压力的错误,使计算结果严重失实.     

三峡水电站过机泥沙粒径对水轮机叶片空化空蚀的影响

由于紊流中布满的涡体,利用涡成因说分析涡体对脉动、空化的影响和脉动与空蚀的关系。从涡与泥沙粒径的影响关系和空化及空蚀的两种机械破坏模式、空蚀和磨损的形态特征等方面入手,分析空蚀破坏机理,探讨了泥沙粒径对空化空蚀的影响。结合三峡水电站水轮机的磨蚀情况,得出不同颗粒粒径的磨蚀破坏机理之间的差异。此外,对于三峡水电站,空泡在水轮机含沙水流中溃灭时,空蚀与磨损具有存在性与普遍性,且耦合共同作用导致叶片破坏。     

水泵水轮机临界空化系数的数值预测

为了研究水泵水轮机空化系数对内部非定常流动的影响,采用SST k-ω模型对一模型水泵水轮机进行数值模拟,对机组在不同空化系数下的性能及内流场进行分析.结果表明,空化系数的大小可以改变水泵水轮机内部的流动状况,临界空化系数反映了水泵水轮机机组的能量特性.空化初生时,水泵水轮机的水头降低并且效率提高;随着空化的发展,机组水头显著增大,效率却快速减小;水泵水轮机的空化主要发生在叶片出口边吸力面靠近下环处;空化系数的改变对转轮内部流动稳定性的影响不明显.水泵水轮机的水头在空化系数较大时基本保持不变;当空化系数为0.075~0.150时,水头随空化系数的减小而略有减小;当空化系数小于0.075时,水头随空化系数的减小而增大.     

水力机械空化空蚀问题的研究进展

从水力机械空化现象的产生机理出发,综述了国内外空化空蚀问题理论分析、数值模拟和试验研究的现状,简要叙述了各种研究方法的优点和特点.通过分析归纳理论分析、数值模拟和试验研究这三者之间的内在联系,指出空化模型理论和可视化空化试验是目前的研究重点.在对相关研究进行总结的基础上,阐述了水力机械空化空蚀研究的发展趋势为,数值模拟理论和技术的深入完善、可视化技术的广泛应用和空蚀在线监测系统的开发;而空化空蚀问题的确切机理将是未来研究工作的重点.     

水泵水轮机泵工况空化特性与转轮受力分析

为研究水泵水轮机在水泵工况运行时的空化特性及转轮受力情况,以某一抽水蓄能电站水泵水轮机模型为研究对象,基于Zwart空化模型和SST k-ω湍流模型,进行不同空化数下全流道三维非定常数值模拟和分析,并与实验结果进行对比验证,探讨了转轮及活动导叶中间流面的湍动能分布、叶片上的气泡体积分布和载荷分布,并定量分析了转轮受力情况。结果表明:数值分析结果成功捕获了空化的具体发展过程;随着进口总压的降低,转轮出口的湍动能逐渐增加,空泡首先在叶片吸力面靠近前缘处产生,然后沿流线向出口方向和叶片压力面扩展;由于动静干涉及蜗壳形状的不对称性,转轮径向力变化的周期性和对称性逐步被破坏,揭示了低空化数下水泵水轮机在水泵工况运行时性能变差的主要原因。     

温度与空化空蚀的影响关系研究

简要阐述空化空蚀机理。通过分析表面张力、动力黏度、密度、声速、蒸汽压强等5个因素与温度之间的关系,并利用MATLAB拟合曲线方程。同时,分析了以上5个因素对空化空蚀的影响,及温度对空化空蚀影响机理,构建了半径R、时间t与温度T之间的函数关系式。进一步解释了温度升高到一定程度之后空蚀破坏程度减弱的原因,不仅是空泡内蒸汽的缓冲作用,而且还包括：固壁附近的空化泡与周围空气泡相互作用的增强和含气型空化比例的增加,改变微射流的方向,降低微射流的速度,增加空泡溃灭的时间,消减传递到固壁的高强冲击荷载而减免空蚀。     

水轮机转轮强化新工艺研制成功

全国水力机械遭受空蚀磨损的水电站多达38％，研究开发能够承受空蚀和泥沙磨损的措施是国家重点攻关科研项目。哈尔滨电机有限责任公司、哈尔滨大电机研究所经过多年的试验研究，最近开发成功一种水轮机转轮强化新工艺，能够显著提高马氏作不锈钢的耐磨蚀性能延长大修周期，减少大修次数，保证转轮叶片的安全可靠运行。研究期间曾对常用叶片材料的耐空蚀磨损性能进行系统的对比试验，采用了先进仪器对空化空蚀磨损的宏观和微观两方面进行细致分析，确定了用空蚀磨损材料应具备的组织和性能。通过大量热处理和常规性能试验，掌握了不锈钢材料…     

压力脉动对尾水管进口空化腔影响的CFD模拟分析

水电站过渡过程计算中水轮机尾水管进口最小压强须控制在-8 m H2O以上，以防止危险的水柱分离。对于水泵水轮机，压力脉动大且成份复杂，确定此最小压强时应该计入哪些压力脉动尚无明确答案。针对某直锥尾水管水泵水轮机模型，在转轮进口施加不同脉动流速，分析尾水管进口空化腔生成发展规律。发现尾水管最大空化腔体积与进口脉动流速频率相关；随频率增大，空腔体积有先快速增大后缓慢减小变化趋势；空化腔变化周期受压力脉动频率和尾水管出口压强波动共同影响。在实际转轮进口可能的压力脉动频率对尾水管空化腔波动都有较大影响，但频率与尾水涡频率一致时会有共振效应。尾水管水锤波动是产生空腔涡的根本因素。     

高水头水泵水轮机空化特性分析

为探究多工况下水泵水轮机空化特性,选取5个典型工况,采用Rayleigh-Plesset空化模型对水泵水轮机进行三维定常数值模拟。结果表明:在水轮机工况,伴随空化数减小,大、中流量下长叶片吸力面靠近下环根部的空化程度逐渐加重,沿下环线形成类似鱼尾拖拽区,而小流量空化区域则沿长叶片吸力面出口的中部向来流方向蔓延。在水泵高、低扬程工况,空化区域位于长叶片不同部位,空化严重时易引起叶片表面流体脱流及流道漩涡现象,导致扬程急剧下降。     

离心泵流动空化噪声测试

选择3个流量工况(80, 92,100 m³/h)对离心泵进行空化试验,利用TST6200动态采集系统、NoiseA 2.10噪声测试软件和灵敏度为-210 dB的水听器构成的噪声测试系统采集空化噪声信号,并利用照相机同时拍摄3个流量工况下水流中空泡的变化过程.采用功率谱法对空化噪声信号进行频域分析和处理,将整个频域分为高中低3个频段,统计各频段信号的平均功率,得到信号功率随汽蚀余量之间的关系曲线.研究结果表明:离心泵流动空化信号的特征主要集中在低频段,而在中高频段没有明显特征;利用功率谱法对空化噪声信号进行分析和处理,得到的结果能够很好地反映离心泵流动空化的发展过程;选择了2个功率带分别作为判断离心泵空化初生和临界空化时的阈值,利用该阈值可以对离心泵空化进行实时监测.     

液体射流泵空化噪声与振动试验

针对液体射流泵的空化噪声与振动进行了试验研究;运用B＆K加速度仪和水听器对射流泵各部位在不同工况下的空化噪声与振动进行了测量。结果表明：（1）射流泵空化噪声以单极子声源为主,随着流速和紊流度的增大,偶极子作用逐渐增大;（2）射流泵空化噪声与振动随空化程度加剧而更强烈,最强烈处也从喉管向扩散管转移;（3）射流泵面积比越小,达到临界空化前噪声频谱波动越强,临界空化之后噪声谱级趋于平稳,随频率增加而递减;（4）初生空化出现前后噪声在整个频域范围内都有一个较大的跃升,约5-10 dB,此跃升可作为判断初生空化的参考方法;（5）泵体3个正交方向振动并不相同,径向振动较轴向更为明显。     

叶片进口安放角对离心泵空化性能影响

空化在泵类产品中广泛存在,因此成为水泵设计中重要考虑要素。为更加全面研究进口安放角对空化性能影响,在某水力模型基础上进行正负冲角添加,获得5组叶片模型。采用RNGk～ε模型考虑湍流影响,采用均质多相模型和Rayleigh-Plesset方程考虑空泡生长和溃灭,对5组模型进行三维定常湍流空化流场数值模拟。结果表明：在某范围内添加冲角对离心泵空化性能影响不大,添加负冲角会加速泵空化性能的恶化。该结论为水泵设计者选取合理叶片进口安放角提供有益参考。     

基于CFD的混流泵空化特性研究

应用剪切应力输运(SST)湍流模型和基于Rayleigh-Plesset方程的混合物均相流空化模型,求解雷诺时均Navier-Stokes方程,对某混流泵在设计工况时的流场进行数值模拟.根据计算结果获取了泵的扬程衰减曲线,捕捉到泵内空化的发生、发展过程,对轻微空化、临界空化和严重空化3种工况下叶轮内空泡体积分布特性做对比分析.模拟结果表明:该泵空化性能满足设计要求;叶轮内空泡最初发生在叶片吸力面进水边靠近轮缘处,该空泡区随汽蚀余量降低逐渐向轮毂方向和叶轮出口方向延伸;轮缘空泡初生于叶片进水边,沿着叶缘翼型逐渐发展成一条长带;轮毂空泡集中于叶根翼型尾部,轮毂空泡体积分数明显大于轮缘;叶片各通道间空泡分布相似,严重空化时空泡造成叶片通道严重阻塞致使泵扬程急剧下降.     

蜗壳式混流泵空化特性分析

基于Rayleigh－Plesset空化模型和剪切应力输运湍流模型(SST),应用计算流体动力学(CFD)技术,对比转速ns=449的蜗壳式混流泵设计工况下的流场进行数值模拟．根据模拟结果获取了该泵的空化特性曲线,捕捉到混流泵内空化的发生和发展过程,对开始发生空化、临界空化和空化严重3种工况下叶轮内的空化现象进行分析．分析结果表明:该泵空化性能满足设计要求; 混流泵叶轮内的空化现象最初发生在叶轮流道内,随着净正吸头的降低,叶片背面靠近轮缘处开始出现空泡,该空化区域从轮缘向轮毂方向延伸．在空化严重时会造成叶轮流道的严重堵塞,导致混流泵扬程的下降.     

浆体流量对矿浆泵空化特性的影响

为分析浆体流量对深海采矿矿浆泵空化特性的影响,建立了两级矿浆泵三维流场模型.基于欧拉多相流模型、Schnerr-Sauer空化模型、RNG k-ε湍流模型,利用计算流体力学理论和Fluent软件对矿浆泵进行数值计算.设置矿石颗粒直径d为20 mm,浆体中颗粒体积分数C_V为8%,矿浆泵转速n为1 450 r/min,在该工况下研究矿浆泵输送不同浆体流量时泵的空化特性,比较不同空化特性下矿浆泵内压力分布、气相分布及工作性能的不同,并进行试验对比验证,为矿浆泵空化特性提供理论依据.研究结果表明:深海采矿矿浆泵首级叶轮前端呈现明显的低压区,且该低压区域的面积随着流量的增大而减小;气相体积分数分布区域与低压区呈现类似的规律;空化发生区域出现了速度旋涡现象,增大了流场的不稳定性;随着流量的增加,空化余量增大,空化现象不明显,对矿浆泵扬程的影响也越小.     

离心泵内空泡演化与其对振动的影响

对不同流量下离心泵内稳态及旋转空化进行了可视化研究,获得了不同汽蚀余量下空泡团形态,同时对泵体振动进行了测量,分析了泵体振动与空泡团形态之间的关系。试验结果表明:压力面上发生空化将加剧振动,尤其是发生超空化后更加显著。多数情况下吸力面上空泡团较薄,且吸力面发生空化对振动影响相对压力面较小。旋转空化发生后振动减弱,处于正对位置的流道内空泡团形态基本相同,空泡团脱落频率约为27 Hz,压力面出现稳定空化后振动开始回升。     

半开式旋涡泵空化分析及试验

半开式旋涡泵采用新型的半开式叶轮,为研究其空化特性,采用基于雷诺时均方程和RNGk-ε湍流模型的单相模型对其内部流场进行数值模拟,得到了叶片表面速度和压力的分布规律,半开式旋涡泵的叶片根部是发生空化的危险区域．在对空化监测方法进行总结分析的基础上,针对半开式旋涡泵的具体特点,选择能量和噪声结合的方法进行了试验研究,结果表明,半开式旋涡泵工作性能稳定,半开式叶轮改善了旋涡泵的空化性能．在同等条件下半开式旋涡泵比闭式旋涡泵的性能有较大改善,对深入研究半开式旋涡泵的理论计算和设计提供了依据．     

轴流泵内部流场空化问题研究

本文利用Navier-Stokes方程、RNG 湍流模型和欧拉-欧拉均相流模型,对轴流泵偏大流量工况下的空化流动进行了数值模拟。通过对计算结果进行分析,阐述了轴流泵各段中空泡的主要来源,有效预测了发生空化、空蚀的主要部件和区域,并揭示了叶片背面压力带和空化带的关系。对比计算扬程和效率确定了空化的发展阶段,对于保障轴流泵稳定运行有一定指导意义。     

缩放型喷嘴空化射流空泡云演化规律的试验研究

基于高速摄影技术对缩放型喷嘴进行空化射流试验,以揭示不同进口压力下空化射流流场特性,分析进口压力对空泡云演化规律的影响.结果表明:淹没式空化射流形成的泡云呈周期性变化,即在1个周期内包含空化初生、发展、脱落、溃灭4个不同阶段,并在空泡云脱落时达到最大的空泡面积、密度和宽度.由于随着射流入口压力的增大,喷嘴形成的射流速度加快,在射流边界层内速度梯度增大、射流核心区与伴随流的剪切作用增强,高速射流所产生的空泡云长度、面积和密度均呈增大趋势.同时,随着进口压力的增大,边界层内湍动能增大,加剧了部分流体的不规则运动,导致空泡云边界更加模糊且呈交错分布,空泡云的脱落频率不断增大.研究结果对提高空化射流在金属材料强化和石油钻井、破岩等领域的应用具有重要的理论意义和指导价值.