西藏地区某水电站水轮机主要参数选择及模型验收试验

针对西藏地区某水电站海拔高、气温低、泥沙含量较大的特点,结合电站工程特性及类似工程实际经验,对水轮机设计参数的选择进行了探讨,并将上述水轮机参数提供给机组制造厂家用以开发水轮机模型转轮。为验证水轮机参数的合理性及水轮机模型的水力特性,进行了水轮机模型验收试验,试验结果表明水轮机参数选择合理先进,开发的水轮机模型转轮具有良好的重复性,模型水轮机的各项水力性能指标均满足合同要求,上述成果可为同类型水轮机的选型设计提供参考。     

丰满电厂7号水轮机转轮叶片割边增容改造

水轮机增容常用的两种方法是更换新转轮和转轮叶片修形.通过更换新转轮增容方式是最彻底的,但工期长、人力投入和资金投入都很大.转轮叶片修形增容方法则投资少、见效快,适合于设计制造较早、参数标准较低、有增容潜力的水轮机.采用贴体坐标下的有限体积法和k～ε模型,对水轮机转轮内部的三维粘性流动进行数值模拟,科学合理地确定转轮叶片的切割量,实现水轮机增容,并将该方法应用于丰满7号水轮机.在水轮机转轮叶片割边增容改造中应用计算机数值模拟计算新技术,不仅提高了水轮机出力,实现增容目的,而且改善了机组运行性能.     

丰满电厂7号水轮机转轮叶片割边

水轮机增容常用的两种方法是更换新转轮和转轮叶片修形。通过更换新转轮增容方式是最彻底的,但工期长、人力投入和资金投入都很大。转轮叶片修形增容方法则投资少、见效快,适合于设计制造较早、参数标准较低、有增容潜力的水轮机。本文采用贴体坐标下的有限体积法和k-ε模型,对水轮机转轮内部的三维粘性流动进行数值模拟,科学合理地确定转轮叶片的切割量,实现水轮机增容,并将该方法应用于丰满七号水轮机。在水轮机转轮叶片割边增容改造中应用计算机数值模拟计算新技术,不仅提高了水轮机出力,实现增容目的,而且改善了机组运行性能,为老水轮机增容改造探索出一条新路。     

水泵水轮机转轮三维反问题设计与特性研究

采用全三维反问题设计方法,按照水泵工况确定设计参数,从水轮机方向进行流场计算,完成某一中高水头水泵水轮机转轮的水力设计。针对设计开发的转轮,通过模型实验测试其在不同运行工况下的性能。结果表明,设计的水泵水轮机转轮在水泵工况下的最高机组效率达到91.34%,且机组运行平稳;水轮机工况的最高机组效率为88.5%。基于全流道粘性数值计算的转轮内部流动分析表明,水泵工况下,水流光顺地通过流道,转轮内部流动损失较小;水轮机工况下,转轮进口附近存在较严重冲击损失且叶片背面低压区面积较大,影响转轮的作功能力。     

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.     

溪洛渡水电站巨型混流式水轮机水力开发

针对溪洛渡水电站机组具有水头高、变幅大和单机容量为770 MW的巨型混流式水轮机水力开发的特殊问题展开研究.从水力稳定性控制的角度,讨论了水轮机水力开发条件,论证了额定转速、单位流量、单位转速、设计水头等4项关键水力参数和导叶相对高度、进出口转轮直径之比等2项关键几何参数的选择原则与匹配关系.并通过研究对比不同水力初设方案,分析不同设计参数可能引发的水力稳定性问题,结果表明:在巨型混流式机组的设计过程中应该选择较低的水力参数进行设计.研究结果显示,通过提高设计水头的水力优化措施既使得转轮叶片进水边背面初生空化远离了水轮机的运行范围,又改善了水轮机高水头部分负荷运行区转轮内的流道旋涡特性.最后根据模型验收试验证明了所采用的水力设计方法具有实际工程应用价值.     

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.     

上向流水轮机中自由液面流动的数值模拟

为了更加准确地研究上向流水轮机内部流动情况,评价其水力性能,指导水力设计,建立了上向流水轮机（包括蜗壳和转轮）的全流道几何模型．利用非结构化网格划分技术进行流道的网格划分,在转轮叶片、蜗壳导叶等壁面进行网格加密,网格尺度的选择保证满足湍流计算对壁面y+的要求．基于RNG k-ε湍流模型进行水轮机内部流场的求解,利用流体体积法进行自由液面捕捉,得到上向流水轮机在考虑自由液面时的内部流动模拟结果．基于数值计算结果进行了水轮机内部流动的损失分析,研究发现：在水轮机固定导叶和转轮进口之间的流道存在较大的损失,占总损失的73％;内部流动细节显示该区域的台阶结构是损失的直接诱因,同时造成了转轮进口流态恶化;可通过改进上向流水轮机过渡段的设计消除台阶,以改善上向流水轮机能量性能.     

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.     

水泵水轮机“S”形区全流道数值模拟

为了解决水泵水轮机“S”形区所导致的水泵水轮机在水轮机工况并网困难问题,研究了水泵水轮机“S”特性工作区域的内部流动情况,选取国内某抽水蓄能电站模型水泵水轮机水力模型作为研究对象,进行几何建模,并借助计算流体动力学软件CFX进行全流道数值模拟.模拟采用了区别于传统RANS模型更为精细的分离涡模型进行计算,得到了水泵水轮机内部的流动状态以及外特性参数,并同模型试验值、理论分析结果进行对比验证.结果表明:分离涡模型的计算结果可以达到很好的精度,转轮流道内的流场与理论分析结果相吻合,外特性与试验值相吻合,仿真计算误差小于3％;随着流量不断减小,转轮进口流动分离现象逐渐增大,最终发展成旋涡对流道造成堵塞,堵塞还将引发转轮与双列叶栅之间的相互作用,导致整个流道流动不稳定性的产生.     

冲击式水轮机斗叶根部型线优化设计

应用UG软件完成转轮斗叶模型建立,采用CFD技术对多喷嘴冲击式水轮机内部流动进行数值模拟,并结合ANSYS软件对斗叶应力的分析结果,完成转轮斗叶及根部型线的优化,成功地解决了喷嘴数增加后,射流之间、转轮内部流动之间的流动干涉问题,保证了冲击式水轮机转轮的强度和水力性能,使设计的机组运行更加稳定,效率提高。     

水泵水轮机水轮机工况转轮流动特性分析

为了揭示某高水头水泵水轮机转轮区域流动特性,选取三个典型水轮机工况,基于N-S方程和SST湍流模型对模型水泵水轮机进行三维全流道非定常数值计算,研究不同水轮机工况下转轮区域的流动特性。结果表明:小流量工况下,转轮流态紊乱,有明显的旋涡,最优工况和大流量工况下,由于流量增大,转轮内流态明显改善,流线均匀顺畅;转轮流道内压力在圆周方向上对称分布,沿着流道方向压力逐渐减小,叶片出口附近存在不同范围的负压区域,由于小流量工况转轮内部水流紊乱使得负压区域较其余工况大;长短叶片靠近上冠处压力脉动呈周期性变化,受动静干涉效应影响,叶片进口处压力脉动剧烈,长短叶片在进出口处脉动变化规律一致,长短叶片进口处脉动频率皆以16倍转频为主,出口处皆以1倍转频为主。以上结论可为高水头水泵水轮机在水轮机工况下的高效运行提供一定的参考。     

卧轴双转轮混流式水轮机的优化设计

采用CFD计算分析了国外某电站的卧轴双转轮混流式水轮机组效率较低、空化性能较差的原因：主要是流道复杂,水流不畅,导致水力损失较大.由于不允许对流道进行调整,因而只能对转轮部分进行优化研究.转轮优化从3个方面进行：采用不同的叶片翼型、调整转轮上冠线的曲度和左右转轮叶片位置.基于N-S方程和Spalart-Allmaras湍流模型,采用SIMPLIC算法,对优化后水轮机的全流道进行了三维定常湍流计算,获得了各过流部件的流动细节,预估了水轮机的性能.计算结果表明：采用Ⅲ型叶片转轮、B形上冠线,并且当左右2个转轮叶片位置不同这一方案时,水轮机过流量增大到28.55 m3/s,左转轮效率达92.24%,右转轮效率达91.78%.同时分析了计算转轮上的绝对压力值,得到了分别采用Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ型叶片转轮的空化情况,结果表明：Ⅲ型叶片转轮的空化性能最好.     

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。     

基于转轮换型改造的水轮机增效技术

水轮机技术改造是发展我国水电事业的一项重要工作，介绍了转轮换型的水轮机增效技术改造方法，通过对JF2558和HL702两种转轮的各项性能进行分析比较。得出采用JF2558转轮替换HL702转轮是本站水轮机增效技术改造的最佳方案。     

水轮机转轮叶片的检修研究——以三江美亚电站3号机组为例

水轮机转轮叶片裂纹影响着水轮机正常工作,近年来事故频发。因此在水电站检修中,对转轮叶片进行无损检测很有必要,是保证检修工作成功的关键工序。文章主要分析了三江美亚电站3号机组水轮机转轮叶片检修过程,得出如下结论:采用渗透探伤来检测叶片受损情况,能很好地检测出裂纹等危险性极大的缺陷,然后层层跟踪并清除裂纹,可彻底清除叶片根部(内部)裂纹。     

水泵水轮机导水机构与转轮动应力特性分析

为探究水泵水轮机转轮和导水机构的动应力特性,通过建立水泵水轮机导水机构（固定导叶与活动导叶）及转轮的固体域模型,并基于流固耦合的方法对转轮、导水机构在水泵水轮机发电、抽水等多工况展开计算分析,以获得转轮及导水机构的应力特性。计算结果表明：转轮叶片与上冠“T”型连接处的应力集中与转轮进口处旋涡发展状态有关;转轮与活动导叶间的动静干涉是无叶区压力脉动的主要来源,且主频为叶片通过频率;较小开度或低水头工况下机组运行靠近不稳定区,活动导叶与转轮的动应力均较大,但活动导叶对水流的约束引导作用使其动应力值相比于转轮更高,且流量的增大有利于降低转轮所受动应力。因此可考虑通过改变导叶尾端与转轮进口间距,调整无叶区宽度或调整机组运行区域,避免长时间运行在低负荷、小开度工况下可进一步改善转轮所受动应力情况。     

冲击式水轮机水斗转轮裂纹成因浅

与其它形式的水轮机不同,由于冲击式水轮机工作过程中转轮始终受到变化幅值大、交变频率高的复杂动荷载作用,水轮机转轮裂纹问题一直都在困扰高水头水电站机组的安全运行。针对转轮结构的应力集中和材料疲劳问题,通过介绍上标水电厂冲击式机组转轮裂纹的处理过程,对水斗转轮裂纹成因进行了技术分析和探讨,并据此,从参数设计、加工制造、材料采用和机组运行等多方面提出解决问题的相应对策,在解决冲击式水轮机转轮裂纹问题上取得了较好的成效。     

混流式水轮机水力振动及补气减振研究

基于VOF气液两相流模型,研究了不同补气方式对大桥水电站混流式水轮机的减振效果。为较好地模拟补气过程,以整台水轮机为研究对象,包括蜗壳、座环、活动导叶、转轮、尾水管等,对其进行了三维数值模拟,得到了水轮机过流部件压力分布、速度分布、尾水管补气流态,以及压力脉动特性。计算结果表明,补气能有效减小尾水管中的负压值和压力脉动幅值,且大轴补气的效果优于短管补气,但补气对消除转轮叶片气蚀的作用不明显。     

水轮机转轮叶片裂纹的产生原因及对策

转轮是水轮机的关键零部件,其叶片的材料质量及设计与制造方式又决定了转轮的质量。转轮叶片频频出现裂纹,对水轮机安全生产产生了较大的影响,同时也会使水电厂造成很大的经济损失。因此,分析水轮机转轮叶片裂纹产生的原因,并对裂纹处理的常用方法进行论述是十分必要的。