卷盘式喷灌机水涡轮发展与研究现状

为解决国产水涡轮效率低的问题,回顾了国内外卷盘式喷灌机的发展及研究历程和早期对水涡轮的研究,综述了近5 a国内研究人员围绕国产JP50和JP75这2种水涡轮所开展的外特性试验、CFD分析和改进措施等研究现状.概述了国外目前常见的冲击式和径流式2种水涡轮的结构类型,重点介绍了国内学者针对引进国外的进口为射流冲击式结构的水涡轮所开展的创新性研究,在试验和CFD模拟的基础上,发现这种结构水涡轮的内外特性比国产水涡轮有很大提高,并通过正交试验分析了各种参数对性能的影响,采用GA-BP优化算法进行了进一步优化设计,获得了一种优化的水涡轮模型,CFD分析和试验都证明,优化水涡轮的内外性能全面超过了国外水涡轮.最后,总结了水涡轮研究存在的不足,提出了今后对水涡轮研究的改进建议.

JP50卷盘式喷灌机水涡轮水力性能的试验与模拟

针对目前国内卷盘式喷灌机用水涡轮的外特性和内部流场分布规律的研究较少,设计了水涡轮试验台,对JP50卷盘式喷灌机配套使用的水涡轮进行试验,得到了外特性曲线.采用全流场和结构化网格技术对水涡轮内部流动进行了数值计算,分析水涡轮在不同流量下的压力分布和速度矢量分布,得到了内部流动分布规律.结果表明:水涡轮的工作效率很低,最高效率仅为13%,最高效率点前效率曲线比较陡峭,最高效率点后效率曲线相对较为平坦;最高效率的数值计算与试验结果相对误差为6.87%;高压水通过水涡轮主要工作叶片后压力迅速递减,造成了较大的水力损失;进出口压差随流量的增大而逐渐增大,与水涡轮的水头-流量及轴功率-流量曲线相吻合;水涡轮叶轮出口处出现回流现象;水涡轮出口管道下壁面附近存在低压区,并且随着流量的增大低压区的面积逐渐减小,随之出现了涡流现象.

JP75型卷盘喷灌机用水涡轮能耗贡献率分析

为对JP75水涡轮各过流部件展开能耗贡献率研究,探究水涡轮性能,利用水涡轮试验台对JP75水涡轮在不同转速下进行外特性试验,并确定水涡轮最优转速(250 r/min);采用CERO和STAR-CCM+前处理对水涡轮全流道内流场进行三维建模、多面体网格划分以及数值计算,计算得到水涡轮在固定转速下的外特性曲线.计算不同工况下流场内部各处能耗,发现叶轮与进出水管道连接处平均总能耗达到52.18%,其中叶轮与进水管道连接处能耗贡献率达到44.80%,分析云图发现此处压力梯度较大,分布不均匀,叶片工作面涡旋现象明显,说明此处能量耗散现象最为严重,在此基础上,对JP75水涡轮采取优化设计,优化后其效率得到显著提升,水头有明显降低且输出功率得到保证.

JP75卷盘式喷灌机水涡轮水力性能分析与结构改进设计

为了揭示JP75卷盘式喷灌机切击式水涡轮的水力性能及内部流动特征,采用电涡流制动器阻力代替喷灌机负载,进行水涡轮水力性能试验,并基于SST k-ω模型对水涡轮内部流动进行数值模拟。在此基础上,通过模拟正交试验对影响水涡轮水力性能的主要因素进行分析。研究结果表明,水涡轮进出口水头差及输出功率随流量增加近似呈抛物线型增加,不同工况下水涡轮效率均低于35%;水涡轮喷嘴出口处存在回流区,回流区的低速流动降低了喷嘴射流速度,造成水涡轮驱动力矩下降;叶轮内存在一个主过流叶片通道,喷嘴出流在叶轮内主要由主过流通道流经叶轮,主过流通道内叶片工作面压力高于其他区域;叶片出口侧环形流道内流速相对较高,对叶轮内非主过流通道流动起阻滞作用,导致叶轮区形成回流漩涡;喷嘴出口直径和叶片侧端间隙大小对水涡轮水力性能有显著影响,模拟正交试验获得了喷嘴出口直径24 mm、叶片侧向切削点与叶轮旋转轴径向距离52.7 mm、叶片侧端间隙6.8 mm的水涡轮改进方案;与原型水涡轮相比,不同工况下,改进方案水涡轮的进出口水头差降低了20%~30%,输出功率提高了10%~15%,效率提高了12~17个百分点,最高可达52.21%。

基于安卓系统的水涡轮特性参数无线监测系统

为了实现水涡轮水力机械性能试验参数的无线监测,提出一种基于Qt及安卓系统的水涡轮水力特性参数无线监测系统.系统以STM32为核心搭建水力特性参数监测下位机,通过A/D转换测量得到入口和出口压力,以捕获频率的方式得到流量、转矩和转速的数值;STM32对数据进行初步处理后显示在TFT LCD屏上,并通过串口和蓝牙分别传输给上位机和安卓手机;上位机以Qt编制,显示即时数据并按要求绘制相关曲线,生成报表,拥有的跨平台特性可以很方便地将程序移植到不同的操作平台;安卓手机通过安装配套的APP,通过蓝牙模块接收数据,拥有显示即时数据、保存到数据库、绘制曲线等功能.经过系统的现场测试表明:下位机可以准确地接收并处理传感器发送的数据,上位机和安卓客户端均可以通过特定的数据链路接收、处理数据并绘制曲线,用户体验良好,人机交互性、系统扩展性和可移植性都有了较大的提升.

JP50卷盘喷灌机水涡轮水力性能试验

为了掌握国产卷盘喷灌机水涡轮水力性能和能耗,构建了一种试验装置,它由供水泵、制动器、扭矩-转速传感器、测量仪组成。试验时调节制动器来改变负载大小从而调节水涡轮转速,通过测量流量以及进出口压力,得出水涡轮水头、水功率,扭矩仪测出转矩和转速等,从而得到水涡轮在各工况下的效率。试验分别测得了水涡轮在7种转速下的特性曲线,得出水涡轮的高效区范围,高效区功率大小,随着转速的降低,高效区向小流量偏移。试验结果说明,国产JP50卷盘喷灌机的水涡轮效率较低,有很大的节能空间。

卷盘式喷灌机冲击式水涡轮结构参数优化

针对JP75卷盘式喷灌机冲击式水涡轮驱动力矩小、水力效率低、压力损失高等问题,以提升水涡轮水力性能为目标,在单因素分析的基础上,基于响应曲面模型和CFD数值模拟,选取叶轮侧端间隙宽度(侧端间隙)、出水管入口倒圆半径(倒圆半径)和喷嘴中心与叶轮轴的间距(中心间距)为设计变量,以水涡轮效率最高、驱动力矩最大和压力损失最小为目标函数,运用Box-Benhnken中心组合试验设计方法,开展三因素三水平优化设计分析。结果表明:所建立的二次多项式响应面模型可以准确表征响应指标与设计变量之间的关系,中心间距是影响水涡轮水力性能的最主要因素;水涡轮结构参数最优组合为:中心间距73 mm、侧端间隙2 mm、倒圆半径20 mm;设计工况下的试验结果表明,与原型水涡轮相比,优化的水涡轮效率提高17.6个百分点,驱动力矩提高13.2%,进出口压降降低29.3%。

基于正交试验的斜击式水涡轮优化与分析

参考斜击式水轮机结构设计方法,使用正交试验法对JP75卷盘喷灌机水涡轮的主要几何参数进行优化试验,并对优化结果进行相关系数及主成分分析,最后确定影响效率的主要因素及水涡轮最优参数组合.使用优化后的参数建立水涡轮最优模型,并采用CFD数值计算方法对流量为500～900 r/min、转速为18～40 m3/h下优化模型的性能进行计算及分析;在此基础上,分析了水涡轮外特性曲线,优化模型在非设计转速下具有较高的稳定性和高效性.在流量区间内,优化模型最高效率点提升了近31%;研究了水涡轮优化模型的内部流场分布,相比于原有模型,内部流场更为合理流畅,进口管道内压力分布均匀,且能够形成有效射流,同时,水涡轮叶片的优化设计解决了存在的局部高压区和叶间涡问题;与原有模型进行能量转化率比较,验证了转轮处能量有效利用率明显提升了42.71%.

卷盘式喷灌机水涡轮性能测试系统研究

为了测试卷盘式喷灌机水涡轮的水力性能,设计了基于MSP430F169单片机的测试系统。该系统分为水力参数测量模块、输出轴参数测量模块和制动器控制模块。其中,水力参数包括入口压力、出口压力和流量;输出轴参数包括转速、扭矩和轴功率;制动器控制模块控制磁粉制动器的输出扭矩。设计并研制了各个模块的软硬件,实现了对水力参数和输出轴参数的实时采集和显示。通过调节阀门和制动器输出扭矩,得到了在不同转速下水涡轮的性能参数,并对实验数据进行了误差分析。结果表明,该系统能对测试参数进行同步采集,测试精度较高,得到的试验数据为水涡轮的优化设计提供了依据。

JP75型卷盘式喷灌机水涡轮能量转换数值模拟分析

为了对JP75型卷盘式喷灌机水涡轮进行能量转换分析、参数优化及探究其内部流动性能,采用CFD技术,对转速为250 r/min下的水涡轮进行三维建模、多面体网格划分以及数值模拟.分析水涡轮压力云图和速度云图,发现进口管道中不合理的弯道、喉部、喷嘴设计导致了水涡轮运行效率偏低,来流中的压力势能未能转化为有效的叶片冲击动能,大量能量仍以势能的形式储存在液流中.分析过流断面流线图,发现叶片间隙及出口管道入水口处有大量涡旋产生,造成部分能量损失,从而表明现有的JP75型水涡轮进出口设计和叶片设计需要改进.对进水管道喉部之后的射流段和转轮这两处进行能量转换计算,平均效率分别为26.31%和45.44%,转换效率明显偏低.对现有JP75型卷盘式喷灌机水涡轮进行了参数优化设计,经计算,初步确定了优化模型的标称直径为0.201 m、射流直径为0.021 m、设计水头为13.65 m.

水涡轮机械流场中的颗粒运动

从流体力学的基本理论出发，分析了固体颗粒在任意流场中的受力，导出了该流场中稀疏固体颗粒的运动方程，同时导出了固体颗粒在柱坐标系下的水涡轮机械流场中的运动控制微分方程式，给出了求解颗粒运动的数值计算方法，并求解了固体颗粒在一混流式水轮机转轮流场中的运动轨迹。

卷盘喷灌机水涡轮性能测试系统数据校正

为保证卷盘喷灌机水涡轮性能测试数据的真实可靠,需要对卷盘喷灌机水涡轮性能测试系统进行数据校正。为此,通过建立卷盘喷灌机水涡轮性能参数采集数据的数学模型,推导出水涡轮参数采集数据与实际数据的函数关系,得到参数测量误差与实际信号的对应关系;在保证性能测试系统试验条件与试验环境相对稳定的条件下,计算出各性能参数的校正参数,并基于Lab View开发平台对卷盘喷灌机水涡轮性能测试系统数据校正进行软件设计。通过误差分析表明:本研究对卷盘喷灌机水涡轮性能测试系统的数据校正符合GB/T3216-2 0 0 5《回转动力泵水力性能验收试验1级和2级》的规定,可以有效提高卷盘喷灌机水涡轮性能测试系统测试数据的准确性。

卷盘式喷灌机用斜击式和切击式水涡轮外特性试验与对比分析

【目的】了解斜击式和切击式卷盘式喷灌机水涡轮的外特性。【方法】构建了水涡轮外特性试验装置,测试了一定转速下2种型式水涡轮的流量、进出口水压力、扭矩、转速等外特性数据,获得了2种型式水涡轮流量-水头、流量-轴功率和流量-效率特性曲线以及一定水头下2种型式水涡轮的转速特性,即转速-效率、转速-功率曲线。【结果】斜击式水涡轮的最优运行转速在300 r/min左右,最高效率仅为13.8%,而切击式水涡轮的最优运行转速在600 r/min左右,效率为33.7%。在2种型式水涡轮效率最高时,切击式水涡轮的轴功率增加了34.3%,运行流量减少了约29.7%,效率提高了19.9%。【结论】切击式水涡轮总体性能高于斜击式水涡轮。

水涡轮机械固液两相流及泥沙磨损的理论研究

由于泥沙磨损对水涡轮机械的重大危害，泥沙磨损问题已成为当前和今后水电开发中急待解决的问题。该文阐述了目前国内外水涡轮机械固液两相流及泥沙磨损问题的理论研究现状，讨论了水涡轮机械中适用的固液两相流动基本研究方法，并结合泥沙磨损的诸多影响因素，对进一步开展泥沙磨损问题的研究提出了设想。

水涡轮机械单位工作参数方程

根据水涡轮机械的工作原理,对几何相似的水涡轮机械,导出了其单位工作参数所必须满足的方程.同时导出了水涡轮机械水力效率参数方程.这些方程反映了水涡轮机械各运行工况下,单位工作参数间的关系以及该工况的水力效率.它们对水涡轮机械的性能预测有一定的作用,也是水涡轮机械优化设计中较重要的参数水力效率.

水涡轮机械泥沙磨损预测

分别建立了水涡轮机械中、低、高浓度固液两相流湍流模型及泥沙磨损模型。数值预测了一低浓度含沙水流中水轮机导叶部件和一高浓度含沙水流中泥浆泵蜗室的磨损分布。数值模拟结果与实际中所表现的情况较为一致。

水涡轮机械中的三维径向平衡方程

本文根据水涡轮机械叶栅中的流动特点，导出了反映水涡轮机械流动在径向上变化的三维平衡方程，并推导出了水涡轮机械叶栅内部沿周向平均的流动特性在径向上径变化的平衡方程。这些方程很好地反映了在设计中通常所做的假设的近似性，它们有助于解析水涡轮机械叶栅内的流动，对水涡轮机械的优化设计和性能预测起着重大作用。

湖南镇水电站100MW机组水涡轮消氢处理

水涡轮经过多次补焊后氢是焊缝中十分有害的元素 ,主要危害为氢脆性 ,引起延迟裂纹和出现白点。湖南镇水电站在 5号机组进行的水涡轮消氢应用实例 ,是采用简易保温和加温设施 ,在检修平台将水涡轮整体加温到2 80℃以上并保温 ,成功控制了水涡轮变形 ,经检查 。

水涡轮机械中的空泡运动研究 第2部分 空泡运动的数值计算方法及结果

根据“水涡轮机械中空泡运动研究”第１部分理论研究中所建立的水涡轮机械中空泡运动的控制微分方程，又研究了水涡轮机械流场中空泡运动的数值计算方法，并求解了空泡在一混流式水轮机转轮流场内的运动。

水涡轮机械中的空泡运动研究

本文理论上较全面地分析了空泡在水涡轮机械流场中的受力，考虑了很多文献被忽略的速度梯度场中的Ｓａｆｆｍａｎ升力，空泡旋转时的Ｍａｇｕｓ升力等力．利用牛顿第二定律建立了流场中空泡的质心运动方程，同时建立了空泡在变压场中以及考虑气体扩散的径向运动方程，最后导出了空泡在不可压缩流体中运动的控制微分方程。