叶道涡危害及机理研究

为弄清混流式水轮机叶道涡是否引起压力脉动及危害、危害机理和程度,本文在模型观测试验的基础上结合电站实际进行了深入研究。本文首先介绍了叶道涡模型试验的方法及结果,结合压力脉动频谱分析及尾水管空化观测结果,指出叶道涡工况出现的频率接近转速频率的压力脉动由叶道涡引起,其频率随单位流量增加而增高,随单位转速增加而降低。叶道涡空腔随水流进入尾水管后,以转轮出口环向流速旋转,空化空腔在转轮叶片出口压力场扰动下产生收缩-膨胀甚至溃灭-生成的循环,衍生出新生压力脉动。叶道涡多发生于低单位转速的低负荷工况及高单位转速的大负荷工况,和水电站实际发生的类转频压力脉动非常一致,其频率覆盖范围也基本重叠,因此可推断类转频压力脉动由叶道涡压力脉动引起。研究还发现,三峡等大型水电站发生过该类型小负荷、类转频强烈压力脉动,由叶道涡引起;天生桥一级、二滩、李家峡等电站发生的转轮叶片出水边裂纹、尾水管锥管进口撕裂等破坏同样由叶道涡压力脉动危害造成。

前向多叶离心式通风机叶道流场的稳定性研究

在总结历次试验结果的基础上,得出了喘振现象及间歇式振动现象是由多叶风机叶道流场失去稳定性所引起的结论。探讨了系统性试验中叶道几何参数与叶道流场稳定性之间的定量关系,建立了叶道流场稳定性数学模型。解释了叶道长宽比表征值、叶道流场稳定性特征值以及叶道流场稳定性判别函数3个新概念。为多叶通风机产品向高性能方向发展提供了理论依据与试验依据。

某低水头混流式水轮机叶道涡特性数值分析

采用数值模拟手段,研究低水头混流式水轮机叶道涡的水力特性,依托某低水头混流式水轮机模型转轮试验结果和数值计算结果,选取三个单位转速下出现叶道涡的工况,基于N-S方程及SST湍流模型对水轮机进行单流道、全流道、定常和非定常流动数值模拟,分析叶道涡复杂流动的水力特性和压力脉动。结果表明,在叶道涡初生工况,叶片上冠正背面均有部分脱流现象,随着水流在叶片内部运动,转轮出口处,靠近上冠区域有较明显的脱流漩涡和失速区,这部分区域也是叶道涡产生的集中区域。分析转轮内部各个监测点的压力脉动数据,发现转轮内部各个测点会出现有规律的1倍转频的低频脉动和24倍高频脉动,1倍低频脉动与转轮自身转速有关,24倍高频脉动与活动导叶数量有关,是动静干涉影响的结果。测点位置的流态越差,该测点的压力脉动幅值会越高。

混流式水轮机叶道涡流动特性研究

叶道涡是混流式水轮机运行在偏工况下出现的一种典型的空化流动现象,其起源于两叶片之间而消失于转轮出口附近,对水轮机内部的压力及速度场有直接的影响。为了阐明叶道涡演化特征及其对水力性能的影响,该文基于SST k-ω湍流模型及Zwart空化模型对某一低水头混流式模型水轮机进行瞬态空化两相流动的数值模拟及试验研究。结果表明,叶道涡流动结构的数值模拟与试验观测结果基本一致。在叶道涡工况区,转轮内空泡体积呈周期性脉动,叶道涡频率为转频的90%。叶道涡沿叶片展向发展于轮毂面,主水流在离心力的作用下向下环方向偏移,迫使叶道涡向出水边方向移动,故涡束沿叶片出口边背面靠近轮缘处流出。转轮内有限空间限制及偏工况下负冲角的综合作用,是形成叶道涡的主要原因。压力脉动及其频谱分析表明,活动导叶与转轮之间的无叶区、转轮叶片以及尾水管内均捕捉到了叶道涡频率,表明叶道涡频率同时向上游及下游传播。叶道涡对尾水管内部流场有较大影响,表现为锥管段及肘管段中心处形成较大回流区。该研究为进一步深入理解复杂的叶道涡流动特性提供一定参考。

叶道涡产生机理及对水轮机稳定性的影响

本文采用数值模拟和试验研究的方法,探讨水轮机转轮叶片间叶道涡产生的机理;通过强度计算,分析叶道涡区域叶片静应力和频率的变化,分析了叶道涡对水轮机运行稳定性的影响。

混流式水轮机叶道涡工况下转轮的流动特性分析

为了探究叶道涡工况下混流式水轮机转轮的流动特性,以某长短叶片混流式水轮机为例,选取出现叶道涡的小流量工况,基于N-S方程及RNG_(κ-ε)湍流模型对水轮机进行全流道定常和非定常流动数值模拟,分析叶道涡复杂流动对转轮内部流动的影响。结果表明,在叶道涡工况下,由于导叶出流角的减小,导致转轮叶片头部与来流发生撞击,使流道中的湍流、漩涡现象发展更加剧烈,加强了叶片压力的不均匀分布;容易产生裂纹的叶片危险部位的压力脉动频率等于转轮频率与叶片数的乘积;分布于转轮叶片靠近上冠处的叶道涡对转轮的流动影响较大,导致此处的压力脉动的频率高、振幅大,因此易产生局部的高频应力,致使转轮在该位置产生周期性的疲劳破坏。

混流式水轮机叶道涡引起的振动问题研究

西南某电站的混流式水轮机在高于额定水头、满负荷及超负荷下,出现异常振动。分析发现振动工况特征点位于转轮运转特性曲线上叶道涡范围的部分区域内,并预测在叶道涡区域的其他部分也存在引起机组振动的特征工况点。后赴电站现场作了起始于满负荷的降负荷试验,试验数据证实了先前的预测。CFD数值分析也表明,在振动工况下,转轮叶片间存在明显涡流,则认为该电站水轮机在高水头高负荷下的振动是由叶道涡引起的。

求解边界层计算离心风机叶道内的摩擦损失

提出一种计算离心通风机叶轮流道内不可压湍流边界层内摩擦损失的方法。该方法考虑了旋转、弯曲及二次流的影响,其特点是不采用卡门动量积分方程,而是将速度剖面直接代入运动微分方程进行积分,得到以壁面摩擦系数λ和横向相关系数ζ为未知量的方程组。以5-42型离心通风机叶轮为例,用该方法计算出的包括叶轮出口混合损失在内的叶轮总损失与实测值很接近。

混流式水轮机叶道涡的减轻与消除方法

根据混流式水轮机转轮内叶道涡现有研究资料,介绍了叶道涡的产生原理、分类及危害,重点阐述了补气、转轮叶片修型、活动导叶修型及转轮更换等几种减轻消除叶道涡的方法,为发生叶道涡引起的水轮机事故的水电站提供了参考及借鉴。

混流式水轮机叶道空化涡诱发高振幅压力脉动特性

混流式水轮机部分负荷叶道空化涡不稳定特性已成为制约水电与其他可再生能源多能互补发展、扩大水轮机稳定运行范围急需研究的技术难题。该研究以HL702低水头混流式模型水轮机为研究对象,通过非稳态数值模拟技术及涡流可视化试验,对部分负荷工况下的叶道空化涡不稳定涡流演化及压力脉动特性展开研究。结果表明,叶道空化涡在水轮机转轮内为一个体积周期性变化的动态过程,其涡结构脉动主频为转轮转频的1.1倍。叶道空化涡诱发时,水轮机转轮叶片压力面和吸力面均捕捉到与涡结构频率相同的压力脉动信号。叶道空化涡体积的变化主要发生在转轮叶片背面出水边与下环交界附近,引起压力脉动幅值的局部放大。进一步分析发现,叶道空化涡发生工况下水轮机内部的瞬时压力脉动信号与空泡体积加速度成正比,表明涡流演化是引起压力脉动幅值上升的重要原因。该研究进一步阐明了部分负荷工况叶道空化涡的演化特征,揭示了涡流诱发不稳定高振幅压力脉动的内在机制。

混流式水轮机转轮区叶道涡压力脉动数值研究

混流式水轮机在偏离最优工况区运行时,不但在尾水管中有明显的旋转涡带,在转轮区也会有涡束沿着叶片流出,我们称之为叶道涡。随着大型混流式水轮机的广泛应用,叶道涡有可能对机组的稳定运行产生影响。本文利用数值模拟技术对某混流式模型水轮机转轮内压力脉动进行研究。研究表明:转轮区的压力脉动主要是由叶道涡诱发的,叶道涡的频率基本等于转动频率。

低比速混流式水轮机小开度叶道涡流动分析

混流式水轮机在偏离最优工况下运行时,转轮叶道内会出现旋转涡流,影响水轮机的高效稳定运行。为研究低比速混流式水轮机在小开度工况下叶道涡的流动特性,基于Navier-Stokes方程及Sparlart-Almaras一方程湍流模型,对运行在小开度不同转速工况下的某低比速混流式水轮机,进行三维全流道定常流动数值模拟。计算结果表明:在小开度工况下,两种转速条件存在着分布位置不同、形状大小不一的叶道涡;随着转速的增加,旋涡结构趋于不稳定,内部流场的流态变得非常紊乱,水轮机能量转化效率降低,叶道涡的流动特性与转轮转速密切相关。

混流式水轮机叶道涡工况下转轮叶片表面空化研究

为研究混流式水轮机叶道涡工况下叶片表面空化现象,选取了6个典型工况开展机组全流道仿真模拟。首先分析了转轮域流线分布、不同叶高处的速度分布,表明叶道涡工况下转轮叶道内水流连续稳定的速度分布被破坏;通过叶片表面压力分布和空泡体积分布,发现叶道涡将加剧叶片压力面的压力梯度变化,导致叶片近出水边区域压力面和吸力面的压力差加大,造成叶片压力面出水边与泄水锥连接处发生空化现象;最后选取叶道内水体的体均湍动能、湍动能总量和湍动能最大值作为叶道涡密度、广度和强度特征,探究了水头和功率变化对叶道涡产生的影响,结果表明功率变化对叶道涡密度和广度方面的影响大于水头,而水头影响作用更多地体现在叶道涡强度变化上,且随着叶道涡密度、广度和强度增大,叶片表面空化面积将进一步扩大。

基于动态模态分解的叶道涡非定常解耦与重构

为进一步探索混流式水轮机偏负荷工况下叶道涡的演变机制,引入动态模态分解方法并结合数值模拟与实验对水轮机叶道涡的非定常流场进行相干结构的解耦。数值结果表明,叶道涡呈低频特性,演化的主频为0.5倍水轮机转频;涡管状叶道涡空腔起源于叶轮上冠,并与叶片背面的片状涡连为一体。应用动态模态分解方法获得了叶道涡速度场的动态模态,并将该方法与本征正交分解方法进行了对比。结果表明,动态模态分解方法在特定频率下对叶道涡流动结构进行分解可得单倍频率特征,更便于进行相干结构的流动机理分析。两种方法都可在平均流态和主要模态的基础上对水轮机速度场流动结构进行降阶重构,但对局部复杂叶道涡区域的重构存在局限性。

多叶风机匀加速叶道理论型线及叶型近似作图法

提出了多叶通风机匀加速叶道的定义 ,以及可形成匀加速叶道的叶片断面廓线的几何近似作图方法。同时提出了匀加速叶道的当量锥角 ,以及寻常叶道非匀加速区面积系数两个新概念。

混流式水轮机叶道涡演化及压力脉动特性研究

水—风—光互补发电系统中的水轮机将由主要担任发电任务的常规水轮机逐渐转变为担任调节负荷任务的调能水轮机,其运行在部分负荷工况诱发的叶道涡严重制约着水轮机的运行稳定性。本文基于SST k-ω湍流模型与Zwart空化模型耦合的方法开展了混流式水轮机部分负荷工况下叶道涡不稳定流动特性研究。结果表明,转轮上冠处的流动分离对叶道涡的形成有重要贡献。叶道涡在转轮内为一个强度周期性改变的动态过程,其脉动主频为转频的1.1倍。叶道涡强度的变化可分为涡结构由展向中间位置向出水边迅速发展形成完整叶道涡和完整叶道涡强度缓慢增加的两个过程。叶道涡的动态演化会显著增强转轮叶片吸力面出水边一侧的压力脉动幅值,直接影响水轮机的水力稳定性。

基于X型叶片的混流式水轮机叶道涡的研究

为探究混流式水轮机在不同工况下叶片进口诱发叶道涡的影响因素,基于国内某真实电站的混流式水轮机机组,应用CFX软件对水轮机全流道进行定常及非定常计算,并用Origin软件对非定常结果进行FFT(快速傅里叶变换)处理,揭示混流式水轮机转轮压力面与吸力面在靠近动静干涉处压力脉动的变化规律。研究结果表明:叶道涡的产生位置随不同工况下的水头位置而改变。在高水头工况下,叶道涡会沿叶片进口边吸力面向下运动,在低水头工况下,叶道涡则沿叶片进口边压力面向叶片出口运动。

高比转速混流式水轮机叶道涡工况下转轮的动力特性分析

为了探讨叶道涡对混流式转轮叶片的作用机理,以某高比转速混流式水轮机为研究对象,选取出现严重叶道涡的小流量工况点开展转轮的瞬态动应力数值模拟。首先基于Navier-Stokes方程和RNG k-ε湍流模型进行了全流道定常和非定常流动计算,得出了转轮内部叶道涡的形态及分布,与实际观测现象非常吻合;然后采用有限元方法对转轮进行了模态分析,获得了转轮在水中的固有频率及振型;最后采用流固耦合方法对转轮进行瞬态动力学分析。研究结果表明:叶片危险部位的动应力的频率为转轮频率的倍频,分布于转轮叶片出口靠近上冠处的局部叶道涡对转轮的作用强度最大,导致叶片出口与上冠连接处的最大动应力值高于一般水轮机转轮的许用应力值,引起转轮该位置发生破坏甚至产生裂纹。

混流式水轮机小开度下导水机构内湍流特性和叶道涡结构研究

为准确捕捉小开度流动的瞬态湍流特性,充分了解流场结构,采用滑移网格技术以及基于Vreman亚格子模型的全局动态大涡模拟方法,不仅得到混流式水轮机全流道内速度、压力以及涡量的分布,同时捕捉到了活动导叶周围独特的流动形式和叶道涡的时空演化。计算结果表明:当高转速、小开度工况时,流道内流体的圆周速度占有绝对优势,加强了导叶后尾迹涡的相互影响,致使流道中发生更为剧烈和复杂的漩涡、脱流等各种水力不稳定现象。从蜗壳到转轮室的压力脉动均以低频为主,主要的频率能量成分基本相同,说明小开度低频异常振动与压力波的传递有关。叶道涡是致使叶片疲劳破坏的主要因素。

混流式水轮机叶道涡形成分析及抑制研究

可再生能源的大力发展要求水电机组更加频繁地运行在部分负荷,以平衡电网参数,导致部分负荷下的叶道涡特性成为水轮机水力设计及优化的一个重要考核指标。本文基于理论分析和水轮机模型试验,分析了混流式水轮机叶道涡的形成原因,并提出抑制叶道涡初生和发展的有效措施。研究表明,水轮机转轮不能适应流量较大范围的变化而导致转轮内稳定连续的压力梯度被打破可能是影响叶道涡形成的因素之一。通过压缩转轮流道,采用仿生流线型设计及控制叶片扭曲程度对转轮进行改型,能够有效抑制和推迟叶道涡的初生及发展,为进一步扩大水轮机的稳定运行范围提供参考。