叶片安放角对微型轴流式水轮机性能的影响

为探究叶片安放角对微型轴流式水轮机水力性能的影响,以一比转数为548的微型轴流式水轮机为研究对象,在不改变其他几何参数的前提下,仅偏置转轮叶片各翼型剖面,得到7个不同叶片安放角的转轮;在试验验证的基础上,通过全流场数值计算,分析了改变叶片安放角对微型轴流式水轮机水力性能的影响.结果表明:随着叶片安放角的减小,在相同流量下水轮机的水头与出力均增大,高效率区域向小流量区域偏移,水轮机可高效运转的范围有一定程度的增大;随着叶片安放角的增大,水轮机的水头与出力减小,高效率区域向大流量区域偏移.适当减小叶片安放角的水轮机能在较大水头(流量)变化范围内维持较好的性能.其中,安放角为-4°的水轮机最高效率达到82.13%,高效率区的范围最大.该研究可为微型轴流式水轮机转轮的设计提供一定参考.

泥沙粒径对轴流式水轮机磨损特性的影响

为了明确轴流式水轮机泥沙磨损特性,以某电站水轮机为研究对象,基于欧拉-拉格朗日多相流模型开展了固液两相流动数值研究,重点关注泥沙粒径对机组过流部件表面侵蚀率和侵蚀分布的影响.研究发现,叶片正、背面轮缘附近为泥沙磨损高风险区.随着泥沙粒径增大,叶片正面侵蚀程度加剧,背面侵蚀程度减小,磨损区域逐渐集中在轮缘附近;颗粒受泄漏涡影响在转轮室壁面形成沿旋转方向的条状侵蚀痕迹;尾水管锥管段侵蚀率逐渐降低,不同出口流道磨损程度的差异性增大,泥沙颗粒在锥管段形成沿泄漏涡延伸方向的带状螺旋侵蚀痕迹.在运行过程中,磨损程度最大的部件是尾水管,其次为转轮和转轮室,应避免机组长时间在过小或者过大泥沙粒径条件下运行,检修时应重点关注转轮叶片和转轮室的泥沙磨损情况.研究归纳出轴流式机组运行过程中的泥沙磨损高风险区,可为水轮机各过流部件泥沙磨损的定量分析提供一定参考,有助于合理安排机组检修周期,同时为轴流式水轮机进一步优化设计提供理论基础.

轴流式水轮机全流道内非定常空化湍流的数值模拟

为了研究轴流式水轮机内部的空化流动,将Fluent 6．1商用软件中的一种完整空化模型和一种混合流体两相流模型相结合,对某水电站原型轴流式水轮机全流道内的非定常空化湍流进行了数值模拟。根据模拟结果,预测了水轮机在特定工况下运行时流道内空化发生的部位和程度,并对水轮机的能量性能进行了预估。数值预测的空化流动现象与模型水轮机空化试验中所观察到的现象基本一致,说明数值模拟结果可为轴流式水轮机的运行性能预测提供参考。

轴流式水轮机叶片进水边形状对其性能的影响

针对轴流式水轮机叶片几何形状差异对水轮机的运行性能和运行范围产生的影响,研究了轴流式水轮机不同叶片进水边形状与水轮机性能参数之间的关系。在相同叶片安放角的情况下,对具有3种不同叶片进水边形状的轴流式模型水轮机进行数值研究。研究结果表明:在相同的叶片安放角的情况下,不同的叶片进水边形状不仅可以改变流道中从轮毂到轮缘的流量及环量分配;而且能够有效的改善叶片正背面压力分布,减小转轮内部的低压区,提高水轮机效率及空化性能;同时不同的水轮机进水边形状可以调节水轮机运行范围。研究结果可为水轮机的优化设计提供理论指导。

轴流式水轮机内部空化流动的数值预测

将一种完整空化模型和一种混合流体两相流模型相结合,应用于轴流式水轮机全流道内定常空化流动的数值模拟。根据模拟结果,分别预测了水轮机在正常和较低尾水位情况下运行时,流道内空化发生的部位和程度,重点考察了尾水位的降低对水轮机空化性能的影响,为水轮机在特定运行工况下的空化性能预测提供参考。

轴流式水轮机内三维空化湍流的数值研究

采用一种完整空化模型和一种混合流体两相流模型,对轴流式水轮机全流道内的定常空化湍流流动进行了数值模拟。根据模拟结果,考察了水轮机在低尾水位下运行时流道内空化发生的部位和程度,并对水轮机的空化性能进行了预估。数值预测的空化流动现象与模型水轮机空化试验中所观察到的现象基本一致,说明数值模拟结果可为水轮机的空化性能预测提供参考。

超低水头轴流式水轮机CFD优化及流动特性研究

结合某水电站改造要求,研发了一种设计水头为2.75m的超低水头轴流式水轮机并对其性能进行优化,以达到有效利用低水头水力资源的目的。基于不可压缩连续方程及雷诺时均Navier-Stokes方程,采用Spalart-Allmaras湍流模型和SIMPLEC算法对轴流式水轮机进行三维全流场数值模拟,分别分析了轴流式转轮叶片翼型、轮毂比、导叶开度及安放角对水轮机性能的影响,并对最优模型进行实测验证。结果表明,在满足设计水头为2.75m的情况下,选用配置叶片B、轮毂比为0.30、叶片相对安放角为-2°的水轮机,当导叶相对开度为0°时,装置水力损失最小,最高效率达83.7%,且数值模拟计算所得出力与实测结果误差小于0.99%,表明基于CFD的数值模拟对超低水头轴流式水轮机的性能预测精度较高。

基于雷诺应力微分模型模拟轴流式水轮机轮缘间隙流动

基于平均N-S方程、采用雷诺应力微分模型、非结构化网格技术,对轴流转桨式水轮机转轮轮缘间隙的三维湍流流动进行数值模拟。重点分析了不同工况下轴流水轮机轮缘间隙内部、叶片表面和轮缘间隙泄漏流动的流速分布规律。结果表明,通过间隙的泄漏流动不是单一的流动型式,按泄漏流动的流动方向不同可划分为(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)四个区域:Ⅰ区为叶片进水边靠头部的轮缘区,不同工况下,即可能出现在正面,也可能出现在背面;Ⅱ区为叶片轮缘中部间隙泄漏流动的流动方向改变的起始区;Ⅲ区为叶片轮缘部中间隙泄漏流动的流动方向转向背面;Ⅳ区为叶片出水边靠尾部的轮缘出口尾涡区。在此基础上,深入的研究了泄漏流动在不同区域产生、发展,泄漏涡与主流的相互作用所产生的二次流动的机理。揭示了轴流式水轮机轮缘缝隙内流动规律。计算结果与试验相吻合,说明了轴流转桨式水轮机发生翼型外缘涡流空化,转轮室产生空化真正原因。

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。

轴流式水轮机模型飞逸过程三维湍流数值模拟

通过作者建立的非稳态过程三维湍流数值模拟方法,模拟了轴流式水轮机模型飞逸过程,并进行了其三维数值湍流计算,获得了机组到达最大转速时所需时间、最大飞逸转速值、飞逸过程内特性流场演变规律以及转速、流量、力矩与测点静压随时间变化的曲线。计算结果表明,所得最大飞逸转速与试验值非常接近,误差在1.5%以内;所得力矩及流量等外特性参数变化过程均符合高比转速水轮机理论特性;当转速增大到某一数值之后,尾水管水力稳定性急剧恶化是引起机组振动的主因。

轴流式水轮机转轮流固耦合计算

在利用轴流式水轮机全流道三维非定常湍流数值计算和利用弹性力学非稳态有限元法计算轴流式水轮机转轮叶片动态的应力和应变的基础上,利用弱耦合算法完成了轴流式水轮机在有粘有旋条件下的流固耦合计算,得到了叶片的动态应力和动态应变,并对结果进行了讨论.

轴流式水轮机转轮内三维紊流场预测

转轮是水轮机中影响机组特性的一个重要部件．研究水轮机转轮内三维素流场的流动特性对于提高水轮机组的特性及效率具有重要的意义．本文基于N-S方程和标准的κ-ε紊流模型，采用SIMPLEC算法，数值模拟了轴流式水轮机转轮内的三维紊流场，同时讨论了其收效性和准确性．轴流式水轮机转轮内的三维紊流场数值模拟结果有助于提高轴流式水轮机的水力设计、性能分析和优化设计的水平．

轴流式水轮机摆度对压力脉动的影响

水轮机组运行中过大的振动摆度将导致轴瓦温度过高以及上、下机架和机组本身疲劳破坏,甚至导致机组的共振,将对机组的稳定运行造成很大的影响．本文以大型轴流转桨式水轮机为研究对象,在实际运行中该机组主轴的摆度在0．15～0．35 mm之间．本论文通过对轴流转桨式水轮机全流道三维非定常湍流计算,主要预测了转轮后、尾水管进口及尾水管内等几个位置在未考虑主轴摆度、主轴摆度分别为0．2 mm和0．3 mm情况下的压力脉动,对以上三种情况下产生的压力脉动结果进行了比较和分析,从而探讨了轴流式水轮机主轴摆度对压力脉动的影响。

轴流式水轮机叶片曲面重构技术

详细讨论了散乱点云数据采集、点云数据的预处理、点云三角化、采用NURBS为基础的曲面重构方法以及曲面光顺与精度检测等方面内容,为具有自由曲面特征的叶片类部件提供了曲面重构流程.针对基于散乱数据的轴流式水轮机叶片外形曲面重构问题,在阐述模型重构过程基本理论的基础上,根据曲面特征进行区域分块,提出了基于流线和轴面截线构造矩形域曲面片的方法,获得了符合设计要求的叶片实体模型.研究结果表明:该方法重构的数字化模型具有良好的光顺性和精确性,为后续作业奠定了基础,为逆向工程技术应用于流体机械行业提供了客观依据.

基于混合平面法的轴流式水轮机内三维湍流数值模拟

通过求解由k ε双方程湍流模型封闭的三维时均N S方程对轴流式水轮机内部四个典型工况的全三维紊流场进行了计算,并采用“混合平面”法处理转轮与导叶间动静耦合流动的参数传递和相互干扰问题,捕捉到了轴流式水轮机内部压力分布和速度分布等重要的流动信息,在此基础上计算了四个工况下转轮的水力效率。结果表明,该方法能够较为准确地预测出轴流式水轮机转轮与导叶间的总性能参数及内部流场结构,所得到的结果对进行轴流式水轮机的水力设计或改型优化设计等研究具有重要的指导意义。

数值分析不完全蜗壳对轴流式水轮机性能的影响

结合一个轴流项目专题着重研究了蜗壳 ,通过求解平均化 Navier-Stokes方程 ,数值分析不完全蜗壳内的流动 ,并依分析结果对蜗壳进行重新设计。在其它通流部件不变的情况下 ,试验比较了新旧蜗壳下的机组的水力性能参数。图 1 2表 1参

轴流式水轮机转轮叶片刚强度计算分析

用 ANSYS有限元分析方法对某轴流式水轮机的新老转轮叶片的刚强度进行了详细的计算对比分析。结果表明 ,该方法能快速准确计算轴流式水轮机叶片的刚强度 ,经对比分析也可为叶片改型提供依据 ;该方法是一种科学、快速。

中小型轴流式水轮机易磨蚀部件的修复与抗磨蚀措施

轴流式水轮机在含沙水流中运行时，常遭到泥沙磨损和磨蚀破坏。通过对新庄、枣渠、绥德、且末４个水电站的磨蚀破坏部件的修复、转轮叶片测型与修型、叶片头部割圆角、叶片外缘加裙边、头部加导流板等抗磨蚀措施的综合治理，取得较好效果，使机组出力增加、抗磨蚀能力提高。

轴流式水轮机能量特性预测分析

采用数值计算方法研究轴流式水轮机的能量特性。计算模型建立在雷诺平均的Navier-Stokes方程的基础上 ,采用k -ε紊流模型 ,对水轮机流道内部流动进行三维紊流计算。计算不同的工况下机组的特性 ,绘制转轮在不同桨叶角度下的定桨特性曲线 ,在此基础上得出转轮的协联曲线及综合运转特性曲线 ,从而对机组的能量性能作出合理的判断。轴流转桨式水轮机运行效率较高的关键在于 ,其活动导叶和转轮桨叶之间具有最佳可调性能的协联关系。目前对协联线的绘制有包络线法和最高效率点法 ,采用何种方法值得进一步研究 ,针对具体电站机组 。

轴流式水轮机流道内部流动分析

采用数值计算方法研究了轴流式水轮机流道内部三维粘性流动特性。计算模型建立在雷诺平均Navier_Stokes方程基础上 ,采用RNGk -ε紊流模型 ,该紊流模型在比较宽的运行范围内都能得到相当精确的计算结果 ,并且计算所得转轮能量特性和实际转轮运行结果相当吻合。在流场计算的基础上 ,利用压力、速度矢量分布图等处理手段显示内部流场 ,分析在不同工况下流道的内部流态 ,研究轴流式水轮机流道内部的流动规律 。