冲击水轮机式小型波浪能转换系统研究

针对小型海洋观测仪器用电需求,研究高可靠环保型冲击水轮机式波浪能转换系统,开发波浪能原位供电装置。以鹰式波浪能俘获技术为基础,根据模型试验和实型装置已定俘获效率,确定能量转换系统额定功率、压力水头等关键参数,设计并制造水轮机关键部件水斗式水轮,搭建能量转换试验平台和测试系统,开展实验室试验。获得水斗式水轮、喷嘴的性能参数,不同压力、负载下的出力和效率,可为优化设计水斗式水轮驱动的发电机提供依据。通过试验同时认识到系统匹配与优化对波浪能能量转换设计的重要性。

冲击式水轮机泥沙磨损试验测试系统研发

冲击式水轮机在多沙河流上运行时会面临十分严重的泥沙磨损问题。针对目前国内缺乏冲击式水轮机泥沙磨损研究试验系统的情况,研发了一套冲击式水轮机泥沙磨损试验测试系统。该系统由管路及供水系统、沙水池及泥沙搅拌系统、水轮机试验机组、数据采集与测控系统等部分组成,可支持最高水头800 m、最大流量300 m^(3)/h和最高水轮机转速2500 r/min的冲击式水轮机泥沙磨损和性能试验,采用可编程控制器(PLC)和LabVIEW软件可实现供水泵启停、水轮机转速调节和管路阀门自动控制,同时能实时监测水轮机转速、水头、流量等关键参数。经过试验显示该泥沙磨损试验测试系统具有精度高(达0.3%)、自动化水平高、运行稳定、操作简单以及人机界面友好等特点。

500 MW级冲击式水轮机配水环管加工工艺研究

介绍了500 MW级冲击式水轮机配水环管的加工工艺以及厂内装配工艺研究。配水环管是冲击式水轮机的重要过流部件,配水环管设计为多节,每节配水环管厂内加工、整体预装完成后分节运输到电站进行装配焊接,各节配水环管的加工尺寸和管口角度对现场安装起决定性的影响,对后期机组的稳定运行有重大影响。通过对配水环管各节加工工艺研究,确定了配水环管制造加工工艺流程,保证了配水环管加工精度和质量,配水环管整体厂内装配,经过高精准测量,保证了配水环管装配后尺寸满足设计和安装要求。

基于谐响应分析的冲击式水轮机转轮共振预测

冲击式水轮机水斗的疲劳断裂与转轮的周期性振动密切相关。以六喷嘴冲击式水轮机模型机组转轮为研究对象,采用基于模态叠加的谐响应分析法,获取转轮在实际工作载荷激励下的形变与应力响应并评估薄弱部位,结合坎贝尔图确定共振转速。结果表明,在实际运行工况下转轮三阶模态振型最易被激发,最大形变值为21.50mm,位于水斗尖端;七阶与八阶频率下被施加最大简谐载荷的水斗等效应力值较大,从根部向水斗尖端缺口处递减,最大应力值出现在分水刃根部,发生明显的应力集中;坎贝尔图显示易发生谐共振的转速为587r/min、660r/min、785r/min,在实际运行中应进一步测试与避免。

冲击式水轮机转轮水斗汛期泥沙磨损特性分析

泥沙磨损是冲击式水轮机水力部件失效的主要原因之一,特别是在汛期时,过机泥沙含量会大幅增加,而转轮水斗表面的挟沙三相流动过程复杂,其磨损问题会更为严重。本文以规划建设的西藏紫霞电站冲击式水轮机为研究对象,根据设计院提供的电站实测泥沙特性数据,采用Mansouri磨损模型和欧拉-拉格朗日方法对泥沙颗粒在转轮水斗表面的流动过程进行了三相流动数值模拟,分析了电站在汛期高泥沙浓度下颗粒的流动特性以及水斗表面的磨损分布。预测的水斗表面磨损分布与文献中实测的较为一致,预测结果表明水斗主要磨损区分布在靠近水斗根部的出水边附近以及缺口边附近;磨损分布和冲击次数的分布相似度最高,冲击次数对泥沙磨损的影响很大。

喷针开度对冲击式水轮机转轮水力性能影响研究

冲击式水轮机是一种适用于中高水头段水力资源开发的流体机械,在我国西南地区高水头水力资源的开发中有着广阔的应用前景。本文以西藏紫霞水电站冲击式水轮机模型机转轮为研究对象,在5个不同的喷针开度下分别进行了转轮内部三维非定常多相流动数值模拟,分析了喷针开度对转轮水力性能与内部流动特性的的影响。预测结果显示转轮水力效率随开度上升而先上升后下降,在设计开度下水力效率最优。在0.75~1.60倍设计流量区间中,转轮水力效率的变化幅度小于1%。根据3个典型开度下转轮水斗内部非定常流动过程的对比分析,发现大开度工况时,水斗缺口处会发生水膜流的漏流现象,喷针开度越大时的泄漏量也越大,从水斗缺口处的漏流现象是其水力损失加剧的主要流动原因。研究为紫霞水电站230 MW大型冲击式水轮转轮水斗的水力优化设计提供了重要参考。

基于欧拉-拉格朗日方法的冲击式水轮机配水机构泥沙磨蚀机理研究

冲击式水轮机凭借其在高山地区,特别是在中国西南地区的独特优势受到越来越多的学术关注度。本文研究了泥沙磨蚀对冲击式水轮机的水力特性,特别是二次流对不同条件下泥沙磨蚀的影响,详细分析了泥沙颗粒参数(泥沙颗粒大小、浓度)。首先对两相流动的数值仿真结果和模型实验结果进行了比较,验证了仿真结果的准确性。在两相流动的基础上,利用欧拉-拉格朗日方法求解了气液固三相流动。针对冲击式水轮机配水系统即配水环管、分叉管和喷嘴结构研究了上述参数对于磨蚀的影响机理。结果表明,泥沙的磨蚀作用破坏了分叉管内的旋涡结构。随着泥沙颗粒直径的增加,不同分叉管的流量趋于均匀。由于喷嘴处颗粒在喷嘴处强烈碰撞作用,磨蚀作用增强。同时,随着浓度的增加,磨蚀程度也增加。

不同喷嘴组合形式下冲击式水轮机飞逸特性研究

随着中国西南地区水力资源的进一步开发,冲击式水轮机已被进一步研究和使用。但是其在飞逸过程中,射流极不稳定,转轮转速会迅速增加,输出功率不可控,这会对冲击式水轮机造成损坏和安全运行风险。本研究应用计算流体动力学方法对六喷针冲击式水轮机的飞逸过程流动特性开展数值模拟研究,计算了包括六个喷针开度从6~30mm的7个工况和一个、三个喷嘴分别工作时的10个工况,进而获得了不同工况下的飞逸转速的变化规律。结果表明:当六个喷嘴处于工作状态时,飞逸转速为额定转轮速度的1.55倍,低于理论计算的1.936倍,并且飞逸转速随着喷针开度增大而均匀增加。在最优开度为18mm(行程等于1)的情况下,在三个喷嘴(1号、3号和5号)和一个喷嘴(1号)分别工作时飞逸转速是转轮速度的1.66倍和1.68倍。最后,确定了高速射流及二次流旋涡强度对飞逸转速的影响,六喷嘴条件下二次流引起高强度旋涡结构,且射流之间、射流与水斗之间存在干涉,使得水力损失增大,飞逸转速较小。单喷嘴和三喷嘴条件下旋涡强度较低,射流之间干涉很小或者没有干涉,飞逸转速较六喷嘴条件更高。

大型冲击式水轮机球型分岔配水机构水力特性及磨蚀预测

随着冲击式水轮机向大容量发展,配水机构的水沙气多相流特性和泥沙磨蚀受到广泛关注。为此,提出一种月牙肋球型分岔六喷嘴配水机构,采用RANS-ELES混合紊流数值模型模拟了配水机构的水力特性,水气交界面采用VOF模型进行追踪,并分析了不同肋宽比对流场和泥沙磨蚀的影响。结果表明:小肋宽比能改善配水机构射流质量,并有利于配水环管分叉部位抗泥沙磨蚀。研究成果可为类似冲击式水轮机的设计与运行提供借鉴。

500MW冲击式水轮机关键技术研究

西藏扎拉水电站需装设2台500 MW冲击式水轮发电机组,是目前全球在建单机容量最大的冲击式水轮发电机组。为提升大型冲击式水轮机制造水平,基于试验和数值模拟分析总结了扎拉电站水轮机在高效率转轮模型水力开发、重大不锈钢转轮锻件制造、大型冲击式转轮制造等方面存在的技术难点。结果表明:(1)在高效率转轮模型水力开发方面,可采用定常的气液两相流CFD分析配水环管、喷嘴,采用非定常两相流CFD分析转轮;扎拉水电站水轮机转轮内部流动均匀合理,整体具有良好的水力性能。(2)在重、大不锈钢转轮锻件制造方面,关键技术主要在于钢材冶炼、锻造和热处理这3个过程中材料化学成分的优化、锻件锻造载荷和锻造温度控制及热处理工艺;扎拉水电站水轮机的重、大转轮轮毂不锈钢锻件的质量可行。(3)在大型冲击式转轮制造方面,扎拉水电站水轮机转轮采用锻焊结构,合理选择了水斗和轮毂的分瓣位置及焊接工艺,实现了转轮焊接接头疲劳寿命与水斗根部的疲劳寿命等同。

冲击式水轮机技术进展与发展趋势

与反击式水轮机相比,冲击式水轮机有着应用水头高和高效率工况范围宽的优点,是开发高水头水电能源的核心装备。然而,冲击式水轮机内部为开放式、多相非稳态流场,存在多种流动状态转换以及多部件相互匹配的复杂流动特性,影响着水轮机性能的好坏,进而决定着高水头水电能源的开发利用率。可视化试验技术、计算流体力学、有限元法和人工智能优化设计算法的快速发展加速了冲击式水轮机的技术发展。我国的冲击式水轮机技术起步较晚但发展迅速,经历了从无到有、自主设计和提升改进3个阶段,特别是近20年我国冲击式水轮机技术取得了突破性进展。本文在全面综合国内外冲击式水轮机领域研究成果的基础上,以近20年来冲击式水轮机技术的主要研究进展为重点,从水轮机内部流动特性、泥沙磨蚀研究、失效分析研究及优化设计理论等4个部分对冲击式水轮机技术进展进行了综述,探讨了冲击式水轮机性能分析和优化设计中存在的一些问题,并对冲击式水轮机技术的发展趋势进行了总结和展望。

导水叶栅对冲击式水轮机喷射机构流动特性的影响

为研究导水叶栅对冲击式水轮机喷射机构流动特性的影响,设计了7种不同导水叶栅数方案和5种不同导水叶栅出水角方案,应用RNG k-ε模型和VOF模型,在额定工况下对考虑弯管进口的冲击式水轮机喷射机构进行数值计算,分析导水叶栅对喷射机构流动特性的影响.结果表明:由进口弯管引起的迪恩涡以及由导水叶栅绕流引起的卡门涡始终存在于喷射机构内部及射流区域,这些涡流的存在造成射流液面在弯管内侧和导水叶栅下游出现变形,并导致射流扩散;不同导水叶栅数的喷射机构射流偏心存在差异性,导水叶栅增多,射流内侧液面凸起和射流扩散现象得到缓解,但导水叶栅下游射流液面对应区域的变形更加剧烈,进而影响射流质量;导水叶栅出水角的改变对导水叶栅引起的拉伸涡有一定的影响,但相较于导水叶栅数,导水叶栅出水角对喷射机构流动特性影响较小.

冲击式水轮机喷射机构空化特性模拟研究

空化空蚀的存在对水轮机的运行十分不利,不仅会降低水轮机的出力和效率,破坏水轮机的过流部件,严重情况时会导致水轮机不能安全稳定运行。对空化位置的准确识别有助于预防空蚀破坏,文章利用流体软件中的VOF多相流模型及SST k-ω湍流模型,基于Schnerr-Sauer空化模型对冲击式水轮机喷射机构进行了数值模拟。通过分析额定设计水头下不同喷针开度的参数变化对喷射机构流场的影响,获得速度、压力和气相体积分数的分布规律。得到的主要结论如下:流体流经收缩管段,速度迅速升高,喷嘴的出口转弯处绝对压力迅速下降至形成空化所需要的饱和蒸汽压力,为空化创造了条件。在喷针中心存在速度衰减,在喷嘴出口以及喷针针尖区域存在低压区。气相主要分布在喷嘴的出口位置,在开度为20%与80%条件下,气相呈对称分布于喷嘴出口圆环面,但并未全覆盖,气化区域与前段导流体区域位置相对应,开度为40%与60%条件下气相呈圆环面均匀覆盖于喷嘴出口。不同喷针开度下最大气相生成率及气体沿轴向的分布随开度的增大先增加后减小,40%开度下水蒸气含量最多,此时空化范围最大。

吉牛水电站冲击式水轮机水斗沙水流动特性及泥沙磨损研究

冲击式水轮机由于水头高,其高速射流引起的水轮机水斗泥沙磨损非常严重。为探究冲击式水轮机在高速水流下泥沙颗粒对水斗的磨损,基于CFD技术对吉牛水电站冲击式水轮机全流域进行液气固三相流动数值计算和水斗泥沙磨损预估,获得转轮水斗的内部流动特性和泥沙磨损情况。结果表明:水斗根部的出水边、水斗工作面靠近根部处以及切口和分水刃磨损严重,分水刃及切口的磨损大于水斗工作面的磨损,分水刃到出水边的磨损率总体上先上升后下降;水斗磨损的计算结果与实测结果较为一致,计算结果仅比实测结果偏大6%左右,说明泥沙磨损预估方法有效可行。本文的研究结果为冲击式水轮机泥沙磨损预估和电站运行维护提供了技术方法和依据。

基于Pro/E的冲击式水轮机转轮的加工仿真

针对水轮机转轮加工困难的问题,为提高加工效率,降低加工成本,提出了对水轮机转轮数控加工工艺优化,利用Pro/E建立了转轮的三维实体模型,并对转轮的数控加工工艺进行设计,利用复杂曲面数控加工相关技术对水轮机转轮进行数控加工工艺仿真,生成NC代码和加工轨迹。结果表明,基于Pro/E的数控加工技术可以实现水轮机转轮加工工艺的优化。

冲击式水轮机喷射机构优选与磨损特性分析

为探索冲击式水轮机喷射机构水力性能和泥沙磨损特性,以500 MW冲击式水轮机为例,结合VOF模型和离散项模型对喷射机构内水气沙三相流进行了数值计算,求解得出不同喷针/喷嘴锥角喷射机构效率和流量,得到了喷射机构在不同开度下的流动特性和泥沙磨损特性,并结合实际电站磨损情况进行对比分析。结果表明:喷针/喷嘴锥角为45°/62°组合的喷射机构具有更好的调节性能。在额定开度下,喷射机构的水力效率达98.5%,比小容量机组的效率略高,随着开度的减小,效率有所下降。支撑肋导致喷射机构内形成附着涡并向出口发展,使颗粒撞击速度增加,从而对喷针表面造成不对称磨损,喷嘴磨损主要发生在出口边附近。附着涡致使速度场分布不均,导致喷嘴出口处水流卷吸空气形成了漩涡,致使泥沙颗粒发生“逃逸”现象。研究成果可为冲击式水轮机的设计和运行提供参考。

喷嘴射流径向偏移斗叶对冲击式水轮机稳定性的影响

针对冲击式水轮机在实际安装和检修过程中,常出现喷嘴射流中心线偏移转轮斗叶节圆的问题,采用VOF多相流模型和SST k-ω湍流模型,对国电大渡河吉牛水电站冲击式水轮机斗叶内部压力脉动及转轮受力进行了数值模拟,并对射流偏移前后水轮机振摆和效率进行了实测,分析了喷嘴射流中心线径向偏移斗叶节圆对冲击式水轮机稳定性的影响.数据模拟时,水轮机设定3种运行工况:喷嘴射流中心线向转轮斗叶外缘方向偏移、向转轮中心方向偏移,以及无偏移.结果表明射流发生径向偏移后,水轮机轴向力和压力脉动显著增大,而径向力和效率均减小,并且向斗叶外缘方向偏移的压力脉动均大于向转轮中心方向偏移的,更大于无偏移工况的.根据数值模拟结果可得,轴向力最大时达到无偏移工况时的2.27倍;实测结果为向斗叶外缘方向偏移后的轴向振动较无偏移工况的高达3.40倍、径向摆度达到1.30倍.

500MW级冲击式水轮机设计制造可行性研究

针对适用于西藏地区高水头条件的大型冲击式水电机组,从服务国家战略考虑,大唐集团开展某水电站单机容量从250MW优化到500MW级冲击式机组的科研攻坚。通过组织国内相关单位进行科技创新攻坚,从水轮机水力设计、不锈钢转轮锻件制造、转轮锻焊工艺等方面探索500MW级冲击式水轮机设计制造可行性,对于推动制造业的科技创新,突破技术短板,实现产业链整体升级具有重要作用。

以礼河冲击式水轮机整体结构介绍

以礼河四级电站复建工程总装机容量130MW(32.5MW×4台)立轴冲击式水轮机组,型号CJA1581-L-185/4×15.4。电站额定水头517.5 m,最大水头542.7 m,水斗式水轮机转轮直径D1为1.85 m,水斗数量Z=21个,额定流量为7.23 m3/s,额定转速为500 r/min,飞逸转速为900 r/min,机组旋转方向为俯视逆时针。机组由哈尔滨电机厂有限责任公司制造,首台机组于2022年12月20日投产发电。

基于数值模拟的六喷嘴冲击式水轮机两相流动分析

水力发电中,冲击式水轮机是利用高水头资源的主要设备,六喷嘴冲击式水轮机内部流动复杂,分析困难。鉴于此,分析了六喷嘴冲击式水轮机内部流动过程,分析给水机构内部的流动状态对自由射流的影响机理。利用VOF模型准确捕捉气液交界面的特点,分析自由射流冲击转轮的流动过程,找出水斗力矩变化规律以及影响效率的流动损失,分析开度变化对不良流动的影响规律以及不良流动现象产生的原因,为优化改进多喷嘴冲击式水轮机的出力和效率提供依据。结果表明:流体在分叉管处产生漩涡,漩涡向下游发展,使自由射流的形状发生改变;21个水斗具有周期性变化,相互之间仅存在相位差,自由射流冲击水斗时存在两射流同时作用到同一水斗和背面打水等不良流动。