卧式灯泡贯流式水轮机真机协联寻优数值研究

众多实际电站的运行情况表明贯流式电站模型机与真机性能存在差异,使得很多电站投产后因协联关系不正确而频繁发生出力不足、剧烈振动等问题,但通过现场试验调整协联又耗时耗力。因此本文基于动网格技术,在考虑自由液面及水体重力的情况下对贯流式水轮机进行真机协联关系的数值寻优。结果表明:数值寻优前后低水头工况协联关系变化幅度更大,且低水头工况下效率对导叶开度变化敏感度更高,因此电站在丰水期低水头工况下更有必要对协联关系进行调整,数值模拟协联寻优对低水头工况指导意义更大;协联关系的变化对转轮靠轮毂处的水流流动影响较大,相对液流角增加,同时转轮出口靠轮毂处的正环量减小,很好地改善了尾水管内的回流及涡带分布状态,有助于减小尾水管内的水力损失,提高水轮机的水力效率。所以数值协联寻优对贯流机组的设计和现场试验具有一定的指导意义。

部分负荷下混流式水轮机转轮叶片变形对流场的影响

将CFD流动分析软件与结构刚强度软件有机结合,对混流式转轮在不同工况下的流动进行分析。通过程序将流场参数加载到结构分析软件上,对变形后的叶片再次进行网格划分流场计算,并计算出混流式转轮叶片上的应力和变形,详细分析了转轮变形后的流场,达到了真正意义上的流固耦合。研究结果表明:最大应力发生在转轮叶片的出水边与上冠的连接处,应力集中较明显,易于发生疲劳破坏。产生最大变形的部位是转轮叶片的出水边与下环的连接处,且从上冠到下环变形量逐渐增大,即此部位就是叶片振动的敏感区域;转轮变形后对水轮机内部流场的影响表现在叶片进口边头部压力增大,叶片出口边靠下环处流速增大、压力下降,空化性能降低。变形后的流场使得尾水管内部的涡带产生、紊动加剧,说明叶片变形后对水轮机内部流场的影响是引起水轮机裂纹和振动的真正原因。

混流式水轮机的非定常流动分析

通过混流式水轮机定常和非定常流动计算,研究混流式水轮机在不同开度下的流动特点,阐述非定常流动分析结果。非定常流动计算结果表明:开度a12时,转轮出口靠近上冠处压力脉动不显著,中间流线和下环处脉动较为强烈;尾水管中涡带主要集中于直锥段,呈螺旋型,在肘管处逐渐变小消失。尾水管内部压力脉动主要集中在直锥段和肘管,频率为低频,是转频的0.233倍;其中直锥段脉动幅值较大,内外两侧压力脉动频率基本一致。开度a24时,转轮出口靠近上冠处没有回流,脉动小,中间流线和下环处压力脉动更为剧烈,脉动频率为转轮频率与叶片数乘积的倍数;尾水管涡带在直锥段水流形成的呈柱状涡,在肘管变成较小的螺旋型涡带,其结果是长的涡带在尾部形成像钻机式的切削作用,对水轮机效率和稳定性产生严重的影响,涡带的长度为研究混流式水轮机尾水管深度和优化设计提供理论依据。

水轮机主轴中心孔补气对尾水管内部流态的影响

基于水气两相流模型,研究了水轮机主轴中心孔补气对尾水管涡带的影响以及对于改善水轮机内部流态的作用。研究表明,不同工况下最优补气量的大小有一定的差异;由于气体能量较小,补气量过小,在转轮的影响下它很快稀释于水体中,进入尾水管直锥段中心涡带区域的气体很少,起不到改善水流的作用,补气量过大,又会使断面过水面积减小,尾水管直锥段横向水流增强导致不利流态。研究成果揭示了补气量的大小对于改善尾水管内部水流的影响,从而为寻找最优的补气量提供理论依据。

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。

轴流转桨式水轮机轮缘间隙空蚀的试验研究

本文对轴流转桨式水轮机轮缘间隙流动进行试验研究,详细研究了不同工况下轴流转桨式水轮机轮缘间隙流动的空蚀形态。受桨叶角度和开度的影响,轮缘间隙流动有五种的空蚀形态,这几种空蚀形态随开度的变化,可能有一种或两种同时出现。其中侵蚀危害性最严重有Ⅰ、Ⅱ和Ⅴ三种空蚀形态。在负的桨叶角度,协联工况的左边运行时,在叶片的背面轮缘处产生第Ⅰ中泄漏涡带,同时在叶片进口正面头部轮缘处产生泄漏流动和二次流动漩涡相互作用所引起的小面积的强烈空蚀空泡为第Ⅱ种,它是叶片头部缺角的主要原因;在正的大桨叶角度、大开度情况下,间隙泄漏流动主要发生在叶片的背面轮缘处尾部第Ⅴ种空蚀形态,泄漏涡带与主流相互作用形成一个长长的涡带扫射下部转轮室,是叶片背面尾部和转轮室空蚀破坏的主要原因。

不完全蜗壳轴流式水轮机大流量工况性能分析

为了研究大流量工况下,轴流式水轮机机组振动严重、效率锐减、空蚀破坏严重、叶片产生裂纹等问题产生的原因,该文以某不完全蜗壳轴流转浆式水轮机模型为研究对象,对其最优工况及大流量工况进行了全流道数值分析,以揭示引起大流量工况下水轮机运行性能变差的主要原因,结果表明:水流惯性使大部分流量直接由非蜗形区域进入导水机构,蜗形区域过流量偏少,蜗壳内流场沿圆周方向分布的轴对称性变差,并且将这些不均匀性传递向下游;水流沿导叶高度方向分配不均匀,蜗形段的活动导叶叶道内产生叶道涡,形成圆周方向不均匀的非稳定源,并对下游转轮产生影响;蜗壳及导叶内的不均匀水力要素传递向下游,使得转轮内不同位置的叶片所受水力矩产生差异,转轮叶片在旋转过程中受交替动应力作用而容易产生裂纹和破坏。因此在大流量工况下,这些水力不稳定因素不仅限制了水轮机的运行范围,而且对机组的稳定性及强度产生威胁。该研究结果对轴流水轮机的水力设计以及大流量工况下的实际运行具有一定的参考意义。

流体机械叶轮设计的研究与发展

对不可压缩流体机械（水力机械、低速气体机械）叶轮设计的研究现状作了全面的介绍，就各种准三维、全三维反问题和优化问题的设计方法进行了评述．结合笔者对混流式水轮机转轮的全三维反问题和优化问题的研究与实践，对叶轮设计的发展方向提出了建议．

混流式水轮机转轮自振特性研究

在实测转轮叶片及转轮固有频率的基础下,运用有限元法对混流式转轮叶片及其整体进行模态分析,求出了单个叶片和转轮的各阶固有频率。通过计算值与实测结果的对比发现,单叶片计算结果和实测值吻合的较好。在转轮频率实验测试发现,不同支撑方式和不同测点下得到的转轮频率有一定差别。通过对比分析,验证了计算方法的准确性,这对于应用有限元法准确计算转轮频率,以及预测过流部件中由于水力不稳定而产生的各激振力频率是否会引起机组的振动甚至共振有积极意义。

轴流式水轮机轮缘间隙流动引起的叶片正面头部空蚀磨损机理的研究

对轴流转桨式水轮机轮缘间隙流动及空化特性进行数值模拟和试验研究,重点分析轮缘间隙流动在正面头部泄漏流动所引起的泄漏涡带、二次流动的漩涡强度和空化特性,以及泄漏涡带旋转、二次流动的漩涡与空蚀和磨损之间的关系。通过对不同材料的特性比较,解释了材料特性与冲角之间的关系,综合阐述了泄漏流动所引起叶片正面头部空蚀与磨损联合作用产生破坏的机理。

轴流转桨式水轮机转轮进口前流场的数值分析

采用数值计算的方法,基于Navier-Stokes方程κ-ε紊流模型,研究了轴流转桨式水轮机内部的流动特性。通过分析水流自活动导叶出口到转轮进口的轴向速度,以及速度矩在不同工况下的分布规律,说明活动导叶开度不同时流道转弯对转轮叶片进口速度分布产生一定的影响:其中小流量工况时,流道转弯对轴向速度起到改变其分布规律的作用,对速度矩起增加的作用,在大流量工况时流道转弯对轴向速度起平衡作用,对速度矩起到减小的作用。这些研究对转轮进口处的位置确定,提供了参考,达到优化叶片提高水轮机效率的作用。

水轮机导叶含端面间隙的水动力学研究

本文基于N S方程和标准k ε紊流模型,采用贴体坐标和非结构化网格,用SIMPLE算法,对带有间隙导叶叶栅进行三维不可压定常粘性流动数值模拟。详细研究比较了导叶有无间隙两种情况下的水轮机导叶水动力学特性,揭示了水轮机导叶端面间隙流动的运动规律以及间隙流动对主流的影响,计算结果与实验吻合。从而为分析导叶及上下端面的磨蚀以及水轮机的水力稳定性提供理论依据。

水轮机导水机构力特性的数值实验研究

在分析研究现有的水轮机引水部件内部流动和设计理论的基础上 ,文中基于N S方程 ,标准的k ε紊流模型 ,采用贴体坐标和非结构化网格 ,用SIMPLE算法 ,对带蜗壳的导水机构双列叶栅进行三维不可压定常粘性流动数值模拟 ,详细研究了导水机构水动力学特性 ,计算出导叶上的水作用力和水力矩系数 ,其计算结果与实验值相吻合 ,为正确的选择导水机构接力器。

金属材料的磨蚀机理分析

本文介绍了在不同含沙量、不同流速中，不锈钢、碳钢、堆焊焊条及合金粉末喷材料的磨蚀特性．分析材料抗磨蚀特性与含砂量、流速的关系；并对磨蚀部位进行电镜扫描，微观探讨磨蚀机理．

水轮机蜗壳内流动的数值研究

在分析研究现有的水轮机蜗壳设计理论的基础上 ,对蜗壳在不同工况下的内部流动情况进行了三维不可压定常粘性流动的数值模拟。基于 N-S方程和标准的κ-ε模型 ,采用贴体坐标、非结构化网格和 SIMPL E算法 ,对蜗壳内部流动进行了计算分析 ,其结果与实验值吻合 ,可作为蜗壳优化和固定导叶设计、改型的依据。

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。

混流式水轮机蜗壳内流动的数值研究

在分析研究现有的混流式水轮机蜗壳设计理论的基础上 ,对蜗壳在不同工况下的内部流动情况进行了三维不可压定常粘性流动的数值模拟。文中基于N_S方程 ,标准的k_ε模型 ,采用贴体坐标和非结构化网格 ,用SIMPLE算法对蜗壳内部流动进行了详细的计算分析 ,计算结果与试验值吻合 ,为蜗壳优化提供了依据 。

水轮机转轮的三维图型设计

采用Ｂ样条曲面拟合水轮机叶片曲面，以混流式水轮机转轮为例，进行了计算三维图形设计．从计算机显示的图形看：图形画面清晰、色彩鲜明、真实感强，并能直接用于检验叶片设计的光滑性和合理性．该软件可用于任何复杂形体的三维图形设计，能够满足工程设计的要求．

HL240转轮改型设计与研究

本文运用近年来水轮机设计中取得的一些最新成果，结合新疆伊犁团结水电站混流式水轮机的增容改造，在不改变引水部件和尾水管的形状、参数及转轮与主轴联配关系的前提下，对转轮的上冠、下环型线及叶片进出口边的轴面投影进行了改型设计，应用三维流Ｓ２流面有旋流动的反问题计算重新设计了转轮。新转轮在１８ｍ水头下机组出力达１２５０ｋＷ，较原机组增大２５％，且运行平稳、振动小。

AutoCAD在水轮机设计中的应用

本文将水轮机过流部件的水力设计与ＡｕｔｏＣＡＤ软件相结合进行水轮机设计计算机绘图，建立了计算分析与优化、数据库系统和水轮机设计计算机辅助绘图于一体的现状水轮机设计的ＣＡＤ系统，它可用于水轮机蜗壳、导叶、转轮、尾水管等过流部件和水力机械结构设计。