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。     

基于流固耦合计算的混流式转轮裂纹原因分析

为研究水轮机叶片产生裂纹的机理,本文进行了某混流式转轮的瞬态流固耦合计算。采用Newmark算法求解三维不稳定Reynolds平均N-S方程,并采用k-ε模型实现方程的封闭,对转轮在部分负荷下进行了包括导叶、转轮、尾水管在内的三维不稳定流动计算。结果表明在同一工况下叶片背面的压力脉动幅值一般大于叶片正面的值;最大静应力远小于叶片的极限破坏应力;计算点的动应力幅值比较大而且分布不均匀,最大动应力可达48MPa。叶片动应力较高区域与实际叶片出现裂纹的区域基本吻合,表明动应力值过大是叶片产生裂纹的水力原因之一。     

基于逆向设计理论的水泵水轮机设计与数值模拟

针对水泵水轮机效率普遍较低这一问题,借鉴低比转数混流式水轮机的叶片设计理论,对一给定参数的水泵水轮应用水轮机逆向设计理论对水泵水轮机进行水力设计、三维造型和ICEM网格划分;通过建立相对坐标系下的时均连续方程及N-S时均方程等控制方程组,利用标准k-ε湍流模型来封闭方程组,采用有限元体积法进行离散,离散方程的压力-速度耦合处理采用压力耦合方程组的半隐式(SIMPLEC)算法对水泵水轮机进行数值计算,得到其内流场流动特性,与试验的水泵和水轮机工况下压力分布对比分析,预测了水泵水轮机在设计工况下的转轮效率.数值模拟结果表明,基于逆向设计理论设计的水泵水轮机工况的最优效率可以达到91%,水泵工况的最优效率达到82%,充分说明应用逆向理论设计方法对水泵水轮机的设计,可以兼顾水泵工况和水轮机工况在较优的情况下运行.     

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.     

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。     

可逆式水泵水轮机泵工况的驼峰特性

为了研究可逆式水泵水轮机泵工况的驼峰特性,通过非定常分离涡模拟（DES）的方法,计算不同流量工况下机组的内部流场特征.根据机组对应工况下的模型试验,对机组流道中的流态特征进行对比分析,特别对扩散流道损失以及转轮与导叶之间的动/静干涉现象进行研究,探讨驼峰特性产生的具体原因.结果表明：机组在小流量工况下运行时,转轮出口流动呈现明显非对称性;紊乱的流动特征引发转轮内部与扩散段中产生涡结构与二次流结构;由于不良流态的出现,过流部件水力损失显著上升,并引发扬程的下降,导致机组形成扬程-流量曲线的驼峰区域.因此,改善小流量工况下转轮内部流态对于改善水泵水轮机驼峰特性具有重要的作用.该研究内容阐明了驼峰特性对水泵水轮机造成不良影响的机理,对改进机组水泵工况的水力性能提供了参考与帮助,对于水泵水轮机的稳定运行具有重要意义.     

水泵水轮机全特性的改进Suter变换方法

水泵水轮机全特性曲线在水轮机飞逸工况区和反水泵工况区出现S型,在水泵工况区存在交叉和重叠现象,这种单位流量和单位转矩的多值性给过渡过程计算带来不便。通过分析Suter变换和改进Suter变换对水泵水轮机全特性曲线的处理效果,提出了一种新的转换关系式,重点消除了WM曲线交叉和分布不均匀等缺陷。在新变换的基础上利用MATLAB软件将变换后的特性曲线表达成三维曲面形式,提出了一种求取水泵水轮机组的转轮边界瞬态参数的新方法,并通过验证说明了该方法的有效性。     

导叶开度对水泵水轮机调相运行水环流动的影响

水泵水轮机运行在泵工况压水启动过程或压水调相工况时,需要在转轮腔体内注入空气以降低转轮的启动功率.为了避免转轮室内的压缩空气泄漏到蜗壳内,需要在无叶区内形成一定厚度的水环进行密封,以减少压水时的用气量.为了研究导叶开度对水泵水轮机的水环内部流动特性的影响规律,利用ANSYS CFX软件对3种不同的导叶开度(全关闭、1%最优导叶开度、2%最优导叶开度)水泵水轮机模型两相流进行非定常数值计算分析.研究结果表明:水环的厚度随导叶的关闭而增大,从而增大了转轮的阻力,加大了轴功率的消耗;无叶区内的压力脉动特征频率为叶频及其倍频,呈现出明显的动静干涉现象.研究结果可为水泵水轮机在泵工况压水启动过程或压水调相工况下的水环控制提供一定的依据.     

水泵水轮机泵工况轴向力特性分析与改善

水泵水轮机是抽水蓄能电站的核心部件,水泵水轮机的轴向力特性对其运行稳定性与安全性具有主要影响。作为一种典型的立式机组,为防止抬机事故的发生,机组转轮部分需要具有向下的轴向力,但在泵工况下,该轴向力容易过大,并可能引起机组下沉。采用计算流体动力学方法,研究分析抽水蓄能水泵水轮机泵工况不同流量与活动导叶开度下的轴向力特性。研究结果表明,在泵小流量、小导叶开度、高扬程的工况下,向下的轴向力较大;采用对称布置的均压管路连接转轮上冠腔体与尾水管,轴向力变为轻微向上,扬程与水力效率无显著变化,有效解决了机组泵工况向下轴向力较大的问题,机组运行的安全性与稳定性得到了显著提高。     

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。     

水泵水轮机水轮机制动区的流动特性

为研究水泵水轮机水轮机制动区的不稳定流动特性,根据某抽水蓄能电站建立水力模型,应用计算流体动力学软件Fluent模拟其流动特征．采用SST k-ω模型和SIMPLEC算法计算水轮机制动工况的内流场和外特性,并结合试验数据进行对比验证．结果表明,水泵水轮机在水轮机制动工况随流量的变化水头变化不大,在力矩为0时的水头最低;导叶开度越大,进入制动区时所需的转速越高,且流量越大,可以通过调节导叶开度防止水泵水轮机进入制动区;导叶工作开度下力矩为0时的流场不存在涡结构,随着流量的减小,在叶片和活动导叶的进口以及固定导叶和活动导叶之间出现大量的回流涡,并且呈现出类周期性分布特征;转轮中的回流涡是由于前倾式叶片的倾角较大产生的,导叶中的回流涡是由于流体流动方向与导叶叶片的冲角引起的．以上结论可为水泵水轮机的优化设计提供一定的理论基础．     

带分流叶片水泵水轮机转子强度及模态分析

以带分流叶片的水泵水轮机为研究对象,基于CFD与FSI方法分析其泵工况下转子的振动特性,对3种开度即小开度9.8°、最优开度17.5°和大开度24.8°下的流场进行数值模拟,将额定工况下的流场结果导入转子结构实现单向流固耦合,对带预应力的转子模型进行形变与等效应力分析.此外,还计算了转轮的干湿模态,对比分析了不同条件下转轮的振动特性.结果表明:不同开度对应的预应力下转轮形变与等效应力分布规律相似,转轮形变主要发生在上冠低压侧.按ND(节径数)在转轮圆周方向划分振动扇区描述振型规律时发现,各扇区内转轮上冠、下环低压侧的振幅较大.湿模态下水介质对转轮振型影响不大,但会明显降低转轮的振幅.预应力对转轮固有频率影响较小,可忽略不计,但在湿模态下,转轮固有频率会显著下降,这表明分析结构振动特性时应充分考虑水介质作用.     

水泵水轮机在水轮机工况下压力脉动特性

为了研究水泵水轮机在水轮机工况下的压力脉动特性,采用SST k-ω湍流模型对模型水泵水轮机在水轮机工况下的三维非定常湍流进行模拟.在试验验证的基础上,通过调整活动导叶的开度以实现机组不同的运行工况,分析了3种流量工况下导叶、转轮和尾水管内的压力脉动规律.结果表明,尾水涡带形态和旋转方向对机组压力脉动的影响很大:在小流量工况下,尾水涡带为螺旋状,旋转方向与转轮转动方向相同,转轮出口产生强烈的低频压力脉动,转轮叶片上的压力脉动频率约为转轮转频的0.62倍,尾水管压力脉动主频约为转轮转频的0.36倍;在最优工况和大流量工况下,尾水涡带变为管状,转轮出口压力脉动幅值变小,在转轮叶片表面检测到与尾水管压力脉动主频相同的压力脉动;大流量工况下涡带旋转方向与转轮旋转方向相反,尾水管内压力脉动的最大值出现在弯肘段区域.     

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.     

透平增压泵轴承-转子系统动力学特性

针对海水淡化液力透平增压泵的高速运转稳定性问题,以核心部件水润滑轴承-转子系统为研究对象,通过轴承模化与Matlab编程计算得到水润滑轴承的8个特性系数,并建立起水润滑轴承-转子耦合系统的物理模型和有限元模型;利用转子动力学分析软件Samcef Rotor,计算得到了转子系统前4阶临界转速与模态振型;利用CFX14.5对透平增压泵内部流场进行非定常计算,统计得到不同流量工况下流体作用在透平叶轮和增压泵叶轮上的径向力,并以叶轮不平衡质量和径向力为外部激励,对水润滑轴承-转子系统进行瞬态响应分析.研究结果表明:转子系统的第一阶弯曲临界转速为36 298 r/min,远大于设计转速16 000 r/min,说明该海水淡化液力透平增压泵的转子为刚性转子;当只给透平叶轮与增压泵叶轮同时施加不平衡质量激励时,透平端与泵端相比较瞬态响应更明显,振动位移幅值更大;当两端同时施加不平衡质量与流体激励径向力时,转子系统的振动与仅施加不平衡质量激励时相比明显加强,且不同流量工况下转子系统的振动位移幅值不同,在设计流量工况1.0Q_d下振幅最小,转子运行最稳定.