基于双向流固耦合的贯流式水轮机动力特性分析

为了深入研究流固耦合作用对贯流式水轮机转轮动力特性及内部流场的影响,文中采用商业软件CFX和ANSYS APDL对贯流式水轮机流体域和固体域进行耦合求解,分析了耦合作用对结构应力及应变的影响,并将耦合数值计算得到的转轮外特性与实测值进行了对比。结果表明:考虑耦合作用后,转轮的效率、水头与耦合前相比都有不同程度的下降,最大值分别为0.6%、0.21 m。同时在靠近叶片出水边轮缘附近,耦合后压力面与吸力面压力差有所下降,说明耦合作用会降低转轮的水力性能。2种耦合计算方法求解得到的叶片的等效应力分布基本一致,应力集中都出现在转轮叶片与枢轴法兰联接处,同时双向耦合下最大等效应力的主频与单向耦合相比有明显下降的趋势,由于双向耦合考虑了结构在运动过程中周围水体与结构的相互影响。该研究为实际工程中准确地进行转轮的水力性能预估和叶片结构在水中瞬态响应计算提供了参考。     

贯流式水轮机飞逸过渡过程瞬态特性CFX二次开发模拟

当水轮发电机组处于飞逸状态时,水轮机内部会出现严重的不稳定现象,容易引起机组的振动。贯流式水轮机因为水头低、流量大、通道短等特点,其过渡过程与常规的立式水轮机有许多不同之处。基于此,该文通过CFX16.0和Fortran程序的二次开发建立了水轮机飞逸过程的数值计算方法,对贯流式水轮机的飞逸过程进行了数值模拟,获得了转速、流量、力矩、轴向力等外特性参数在飞逸过程中的变化历程以及水轮机内部流场的动态特性。结果表明:计算得到的最大飞逸转速为2 190 r/min与试验测得的结果较为接近,误差不超过2.5%,验证了该数值方法的可靠性;飞逸过程中其余外特性参数的变化规律均符合高比转速水轮机飞逸过程的流动规律;在飞逸过程中,由于转速和流量的增加使得水轮机转轮进口相对液流角降低,水流在叶片吸力面进水侧靠近叶缘处发生撞击形成高压,在叶片压力面进水侧叶缘处出现脱流产生负压,并随着转速的升高,高压区和低压区逐渐增大,转轮叶片受力变得极为不均匀容易引起疲劳破坏;同时,转速的增加使得转轮出口环量增加,在尾水管内部将会形成偏心的螺旋涡带,引起了强烈的低频压力脉动,振幅最大可达到试验水头的104%,不利于机组的安全稳定运行。     

贯流式水轮机转轮叶片的多学科优化设计

为了变革传统的转轮优化设计方法,在缩短转轮研发周期的同时能确保转轮安全、高效的运行,有必要开展转轮的多学科优化设计方法研究。该文基于多学科可行性优化策略(multidisciplinary feasible method,MDF)提出了一种能兼顾水力性能和强度应力的贯流式转轮叶片多学科优化设计方法。该方法以转轮叶片的几何形状参数作为优化变量,以转轮叶片的水力效率以及叶片上的最大静应力值作为优化目标,并通过MDF策略构建整个多学科优化求解系统,同时引入NSGA-II算法作为寻优算法开展了贯流式叶片的多学科优化设计。优化过程中,采用弱耦合方法完成每个优化个体的多学科性能分析以缩减整个优化流程的计算时间,提升了该方法的工程实用性。采用该方法对某电站的贯流式水轮机模型转轮进行优化,优化后水轮机的水力效率提高了0.3%,转轮叶片的最大应力值降低了16.3%,表明该方法是有效的,并具有实际的工程应用价值。     

C型及S型叶片的贯流式水轮机流场特性

为了研究不同叶片进出口边形状及位置对贯流式水轮机内部的流动特性及机组能量特性所产生的影响,并为贯流式水轮机叶片的水力设计提供参考,该文基于某4叶片灯泡贯流式水轮机模型机,利用ANSYS-Bladegen对转轮叶片进行优化设计,并通过数值研究的方法对优化前（C 型叶片）和优化后（S 型叶片）的贯流式水轮机进行流场分析和性能评估,以揭示2种形式的叶片几何参数差异所引起的水轮机内流动特性及水轮机能量特性的差异。研究结果表明：S型叶片因其进出口边位置低于C型叶片,因此流道内速度矩的消耗位置较低,转轮出口环量分布规律也呈S型分布;C型叶片具有较大的叶栅稠密度及包角,叶片表面低压区较小,相反S型叶片叶栅稠密度及叶片包角较小,叶片正背面压差较大,因此转轮能量转换能力优于C型叶片,同时S型的出水边有效的减小了转轮出口的低压区,有助于改善尾水管内的流动特性;叶片进出水边对转轮内的水流具有导流作用,且流量越小,这种趋势越明显,S 型叶片进水边形状有将水流导向轮缘的趋势,水流在流道内的流量分配也呈近似 S型分配;S型叶片叶栅排挤作用减小,转轮内的水力损失、转轮出口环量损失及尾水管水力损失也明显小于C型叶片,因此其整体能量特性优于C型叶片。     

混流式水轮机多工况运行转轮特性

为提高水轮机运行性能,该研究首先采用SST k-ω湍流模型探讨混流式水轮机多工况运行转轮内流特性,并基于流固耦合方法研究0.35Qr,Qr（Qr为设计工况）,1.09Qr工况下的结构场特性。量化分析三维流场速度、压力、涡流黏度、转轮等效应力与变形特征等参量,结果表明最大等效应力和最大变形量均随负荷增加而增大,且各工况下最大等效应力均出现在转轮叶片出水边靠近上冠处,最大变形量均产生在叶片出口边中间区域。0.35Qr、1.09Qr工况运行时水流在转轮进口的撞击产生轴向涡是涡流黏度、等效应力、变形量增加的主要原因,0.35Qr、1.09Qr工况最大等效应力约为Qr工况的0.86倍和1.07倍。叶片与上冠连接处应力集中,且因连接位置约束性较强,其结构变形量较小。上冠处强约束使得叶片中心位置产生的变形量最大,上冠处变形量约为叶片出口边中间位置变形量的29.25%。进一步采用理论分析与数值模拟相结合的方法探讨不同材料转轮性能,研究表明Q345材料转轮的湿模态频率下降率最高,最大下降率为24.5%。Q345的湿模态频率下降率是ZG00Cr13Ni5Mo转轮的1.14倍,因此使用Q345材料时应充分考虑流体阻尼效应。各材料转轮临界转速均远高于水轮机工作转速,不会引发共振,Q345和1Cr18Ni9Ti的转轮抗变形能力最强,但Q345转轮质量相对1Cr18Ni9Ti转轮较轻,Q345更适用于制造转轮。不同材料转轮的等效应力、变形量等静力学特性分布规律相同,且转轮具有相同的模态振型,故相关研究成果可推广至其他常用材料,为水轮机设计及运行提供一定的参考与指导。     

基于瞬态流固耦合的混流式转轮叶片裂纹成因分析

某电站混流式水轮机转轮叶片历年出现不同程度的裂纹情况,为了分析该转轮叶片裂纹产生的原因,该文首先采用流体动力学技术,对该水轮机机组在额定水头下、不同负荷的4个工况进行了全三维的非定常湍流数值模拟,分析对比了各个工况下转轮内部流场的变化和压力脉动情况,计算结果表明:在低负荷情况下转轮内部出现叶道涡,叶道涡的存在使得转轮内部压力脉动变大,从而引起机组运行不稳定;其次采用结构有限元技术对转轮在上述4个工况下进行了动应力分析,模拟结果显示:应力最大发生在转轮上冠和叶片出口连接处,且在低负荷下动应力最大,最大值可达到164.3 MPa,长期在低负荷工况下运行容易引起叶片疲劳;最后对转轮单个叶片进行了模态分析,从模态分析结果可知叶片固有频率远离各个水力激振频率,因此不会发生水力共振。该文通过计算流体动力学(computational fluid dynamics)的方法全面分析了叶片产生裂纹的原因,并提出了相应的裂纹控制对策,为机组的稳定运行提供了参考。     

灯泡贯流式水轮机增减负荷动态特性分析

水轮机频繁经历变负荷工况转换过程,使得机组在较短时间内工作参数急剧变化,严重影响电站稳定运行。该研究以某贯流式水轮机为研究对象,在考虑自由液面和水体重力的情况下,采用动网格技术对贯流式水轮机相同出力范围下的减、增负荷过渡过程的动态特性进行分析。研究结果表明：由于增负荷和减负荷过渡过程的起始工况导致起始流动状态不同,因此在相同出力时,机组内的流动分布不同,减负荷过程尾水管内的涡流面积及强度明显小于增负荷工况,且尾水管涡带尺度也明显小于增负荷过程;相比于增负荷过程,减负荷过程中转轮叶片大范围的低压区极易引发空化;机组内的水压力脉动主要以尾水管涡带引起的0.1fn(fn为转频)低频压力脉动和转轮的旋转引起3fn的高频压力脉动为主,增负荷过程的压力脉动幅值明显大于减负荷过程,两种压力脉动共同作用,使得贯流式水轮机主要振动区域集中于转轮。研究结果对贯流式水轮机的设计与运行具有一定的指导意义。     

基于转轮进口水流角的贯流水轮机最优工况应用

贯流式水轮机是农村小水电电网中的重要组成部分,其低水头、大流量的特点,易导致电站机组效率低下、出力降低。而贯流式水轮机运行中的最优运行问题很少引起学者关注,目前最优工况的研究仅仅局限于某点或线。该文从转轮水力损失的角度,理论上分析了影响贯流式水轮机效率的翼型阻力损失、端部损失与撞击损失,依据现场实际导叶与桨叶翼型,在定水头、定桨叶方式下,通过改变转轮进口水流角,对转轮进、出口速度三角形进行计算,从能量角度,进行工况优化,得到转轮10°工况下导叶在53.9°~58.8°的最优特性区域,效率可提高约3%~8%。利用数值仿真技术,对其工况做相应的数值仿真,并进行流场分析,在此基础上,进行真机试验,结果与理论分析相符,与数值仿真计算的误差小于2%,采用此方法对电站机组的全工况进行了计算,全工况范围内进行区域工况优化,得到转轮在7°~42°,导叶在0~78°的最优特性曲线,通过一段时间运行,数据显示机组的能量特性与稳定性效果比较理想。     

泥沙浓度及粒径对水轮机转轮内部流动影响的数值分析

为了掌握泥沙介质在水轮机转轮中的分布规律以及对转轮压力场的影响,该文应用固液两流体多相流动模型,充分考虑了固液两相间的相互作用,通过求解雷诺时均N-S方程和重正化群k-ε湍流方程,对不同泥沙介质条件下水轮机转轮通道中的流动进行数值研究。研究结果表明,含沙水会导致水轮机转轮叶片表面压力载荷增大,固液两相间速度差异是导致叶片表面泥沙体积浓度分布的变化的主要原因。小粒径泥沙在叶片表面分布均匀且体积浓度低,大粒径泥沙会集中分布在叶片的前缘及出水边等区域。该研究可为多泥沙电站水轮机转轮抗泥沙设计提供参考。     

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0.2f_n(f_n为转频)和14f_n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0.2f_n压力脉动基本消除，14f_n压力脉动幅值降幅为31%。...     

空化对轴流式水轮机尾水管压力脉动和转轮振动的影响

研究空化对轴流式水轮机尾水管压力脉动和转轮振动的影响规律,可为改善轴流式水轮机运行稳定性提供理论依据。该研究构建了包含高速摄像、激光测振仪(Laser Doppler Vibrometer,LDV)及高频压力脉动传感器的同步测试系统,并通过该系统获得了变空化系数下轴流式水轮机压力脉动数据、转轮径向振动数据及空化图像资料。综合变分模态分解(Variational Mode Decomposition,VMD)、频谱分析以及互相关分析法,揭示了空化对轴流式转轮振动和尾水管压力脉动的影响规律。结果表明:进入空化发展阶段后,尾水管锥管上的压力脉动幅值与转轮径向振动幅值会随空化程度的增加而提高;针对该研究的轴流式水轮机模型,转轮完全空化后,压力脉动峰峰值和转轮径向振动速度峰峰值是无空化时的9.16和10.12倍;空化所导致的转轮径向振动速度信号的中高频幅值提升局限于12.0～200.0倍转频的频率范围内;空化程度的增加还会导致压力脉动出现高频能量局部极值迁移现象,增加了其诱发机组共振的可能性。该研究对提升农业水利工程中轴流式水电站的经济性和运行稳定性有重要意义。     

叶片低压边厚度对水泵水轮机空化性能与强度的影响

水泵水轮机转轮叶片低压边相比其他部位更具有空蚀的危险性。首先基于低比转速混流式转轮设计程序,设计了3种具有不同厚度的叶片,厚度差异主要在叶片低压边位置;然后采用数值模拟方法对3种翼型转轮分别进行了3个不同出力的水轮机工况以及3个不同流量的水泵工况的全流道定常数值计算,对比分析了各计算工况下具有不同叶片低压边厚度的转轮的空化形态及流动特征;最后采用有限元方法对转轮叶片强度进行了校核。研究表明:3种叶片低压边厚度分布规律的转轮均满足强度要求。空化性能方面,水轮机42%出力工况下,翼型2转轮不发生空化;88%出力工况、100%出力工况和水泵大流量工况下,随着叶片低压边的厚度的增大,空化越剧烈;水泵小流量工况与设计工况下,转轮的空化程度并不因低压边厚度的增大而加剧,而是水泵设计工况下,低压边厚度相对最大的翼型3叶片头部绕流平顺,空化性能相对较好,其他2种翼型由于头部出现脱流和漩涡,出现严重空化。     

可逆式水泵水轮机转轮的三维反问题优化设计

与常规的水泵或水轮机转轮相比,可逆式水泵水轮机转轮要兼顾水泵和水轮机2种工况下的性能,设计要求高、难度大,且影响转轮性能的设计参数较多,很难通过设计-修正-试验的方法获得2种运行工况下性能均优的可逆式水泵水轮机转轮。针对这些困难,该文将三维反问题设计、CFD计算与多目标优化策略相结合,构建了可逆式水泵水轮机转轮的优化设计系统。该设计系统不仅可缩短转轮设计周期,且能对多个运行工况下的多个目标同时进行优化。利用该优化设计系统,以叶片载荷和叶片倾角为优化变量,以水泵设计工况点的转轮效率和水轮机额定工况点的转轮效率为优化目标,以水泵设计工况的扬程为约束,对某一抽水蓄能电站的水泵水轮机转轮进行了优化设计。结果表明利用该优化设计系统能够设计出在水泵和水轮机2种运行工况下转轮水力效率均高于95%的可逆式水泵水轮机转轮,其中水泵设计工况下转轮效率提高了0.15%,水轮机额定工况下转轮效率提高了2%,表明了该优化设计系统在提高可逆式水泵水轮机转轮性能方面的可行性和有效性。该研究可为水力机械,包括水泵水轮机、常规水轮机、水泵的设计开发提供参考。     

间隙流动对混流式水轮机效率预测的影响

为了分析转轮间隙流动对混流式水轮机效率预测的影响,该文采用CFD数值模拟方法对含有转轮间隙的混流式水轮机内部流动特性进行研究,定量分析了转轮圆盘效率损失,并将CFD仿真结果和模型试验结果进行了对比。研究表明:考虑了转轮圆盘损失后,在最优单位转速附近CFD计算得到的水轮机效率和模型试验结果吻合良好。当偏离最优工况点较远时,由于流场中存在脱流和涡流,CFD计算得到的效率较试验值偏低。转轮下环表面造成的圆盘效率损失远高于上冠表面,且转轮内外圆盘损失基本相当。在同一水头下,通过转轮间隙的泄漏流量基本为常数。此外,"动静干涉"现象对圆盘损失的影响基本可以忽略不计。该研究结果可为混流式水轮机圆盘损失的预估提供有效的参考。