混流式水轮机流动特性及寿命分析

混流式水轮机流动为一个不稳定的瞬态过程,启动和停机时的水力冲击压力脉动均会对水轮机的部件产生不利影响。为了获取水轮机内部流场及关键部位材料流场变化及压力载荷信息,以滩坑水电站水轮机为例,利用Creo 3D建模软件完成对整个水轮机全流道1∶1的三维数值仿真模拟,采用Meshing构建水轮机的流体网格模型,采用Fluent进行准确计算,对不同转速下混流式水轮机进行流场分析及寿命评估。结果表明,由于水轮机的旋转作用,其接近尾水管区域负压尤为明显,随着转速的增加,其负压更加明显。随着水轮机转速的增加,尾水管边缘区域流体流速更大,且尾水管出口区域流速分布不均,更容易产生较大的阻力;转轮下方空化情况逐步剧烈,这是由于转轮后方负压区逐渐增加所致,空化区域均分布于叶片背面靠近转轴部分,水轮机叶片正面和背面压力有明显减小趋势,转轮叶片背面负压范围接近20%,因此会发生汽蚀破坏;同时转轮所受应力也在增加,应力主要集中在叶片尖端,最大应力的增加使得转轮寿命减小,更容易产生裂纹,研究结果可为实际运行提供参考依据。

混流式水轮机非定常旋涡流动研究

采用standard模型对某水电站水轮机进行全流道三维非定常数值仿真,研究转轮内部叶道涡对尾水涡带成形及演化的影响。通过对两种流量工况下的转轮及尾水管内部流场进行分析,探究并揭示叶道涡和尾水涡带的生长、溃灭及其相互干涉演化机制。研究结果表明,通过对水轮机内部流场的全流道仿真,能直观动态地展示出内部三维涡结构的形成及演变特征,且通过观察转轮内的叶道涡和尾水管内的尾水涡带,能清晰地展现出两者之间的相互干涉过程。因此,该数值模拟对探讨水轮机组的安全运行具有一定的参考价值。

大型混流式水轮机转轮应力研究综述

混流式水轮机转轮的裂纹问题,降低了转轮的使用寿命,给机组运行带来了安全隐患,也是制约大型机组宽域运行的主要因素之一。混流式水轮机在低负荷工况的水力稳定性,决定了其运行的安全稳定范围。而叶片裂纹的产生及发展,与叶片在不同工况下的应力特性密切相关。本文总结了混流式水轮机裂纹出现的不同原因,分析了裂纹处理及预防的不同案例,详细对比了三种转轮应力研究方法的不同,最终对大型混流式水轮机转轮应力的研究前景做了总结和展望。

基于弱可压的混流式水轮机流动特性数值研究

高水头混流式水轮机由于水轮机上下游具有较高的压差,水流在高压力下呈弱可压缩性,影响机组内流特性的分布规律。为进一步探究弱可压缩性对水轮机压力脉动及涡流特性的影响,本文考虑水流的弱可压缩性,对Francis99高水头模型水轮机部分负荷流动特性开展非稳态数值研究。结果表明,在忽略和考虑可压缩两种模式下,水轮机无叶区及转轮内压力脉动信号脉动规律较一致。可压缩模式同时预测到尾水管内的低频高振幅和高频低振幅压力脉动信息,且与测试结果更为吻合,表明弱可压缩性对尾水管内流动信息的准确捕捉有重要影响。对压力信号进行同步和非同步分解后发现,表征涡带旋转的非同步分量主导了尾水管涡带的运动。进一步,考虑水流的可压缩性捕捉到的螺旋状尾水管涡带在整个演化周期内均显示为连续结构,且回流区与涡带位置相对应,表明涡带所占据的区域内主要由回流运动主导。

基于自适应综合权重的混流式水轮机健康状态评估模型

【目的】目前,水电行业对机组状态检修的需求十分强烈,因此作为状态检修关键环节的状态评估受到了广泛关注。然而,当前健康状态评估方法存在指导检修项目优化难,确定权重时具有主观盲从性与异常指标容易被淹没的问题。因此,研究提出了基于自适应综合权重的混流式水轮机健康状态评估模型。【方法】首先,建立符合工程实际的混流式水轮机运行状态多重指标体系,分别为设备层、部件层和指标层;其次,根据混流式水轮机不同评价指标的类型,将打分值、监测值与试验值转化为状态量化值;最后,采用S-AHP(Self-adaptive Analytic Hierarchy Process)确定初始相对权重,并引入客观修正因子α来得到综合权重β,计算各个部件以及整个设备的健康值。【结果】选取某水电站3号水轮机组2021年某日的监测数据与检修数据,代入文中模型和恒权重模型,结果显示:采用模型得到当下该混流式水轮机的健康值为0.730 1,设备处于轻微病态,其中水导设备处于中度病态,相比于恒权重模型结果更符合实际。【结论】结果表明:对于混流式水轮机的健康状态评估,模型评价结果比恒权重模型更符合实际,且可以指导具体检修项目的优化,有很大的推广应用价值,为混流式水轮机的状态检修提供参考。

基于数据中台技术的泥沙磨损对高水头混流式水轮机运行效率下降程度影响评估技术研究

在多泥沙河流段时,水电站高水头混流式水轮机运行一般存在严重的泥沙磨损问题,导致机组运行效率和稳定性下降,甚至影响机组运行安全。本文提出了一种基于数据中台的泥沙磨损对机组运行效率下降程度影响评估技术,采用蜗壳压差测定相对效率方法开发分析模型,使用实测数据对水轮机实时运行效率进行计算和趋势分析,从而实现对泥沙磨损导致水轮机运行效率的长期监测和评估,并成功应用于新华水电集团波波娜水电站。该项评估技术是一项运用数字化和智能化技术解决电站运行痛点问题的前瞻性和创新性应用,对机组运行具有很高的应用价值,能有效评估泥沙磨损对机组运行效率下降程度的短期及长期影响,有助于逐步准确掌握泥沙磨损对机组运行的损害规律,进而科学选择抗磨措施,合理安排机组检修周期。

低水头混流式水轮机空化研究综述

随着全球节能减排和可再生能源需求的日益增加,低水头水轮机发挥着重要作用。低水头混流式水轮机的空化空蚀现象将导致过流部件表面材料损坏,影响发电安全与效率。通过查阅国内外相关文献可知,造成水轮机空化空蚀的关键因素分为内因与外因,内因为水轮机的材料硬度、塑性及材料的抗空蚀性能,外因为水轮机过流部件的表面粗糙度、水轮机淹没深度、水体温度和水体中的气体含量。针对两方面原因,国内外学者讨论了改善措施以及数值模拟在研究水轮机空化空蚀的应用,认为多相瞬态流动的CFD分析对于了解水轮机流动特性和性能非常有帮助。基于满足工程实况与学科发展的需要,本文提出了未来研究混流式空化空蚀的部分参考方向,为低水头混流式水轮机空化空蚀的研究提供了一定的借鉴。

高海拔地区导叶开角对混流式水轮机效能影响初探

为了探究高海拔地区混流式水轮机在不同工况下的对厂房建筑的影响情况,对海拔2968m的某混流式水轮机试验模型选取多个工况点进行试验,通过原型观测分析不同工况下水轮机的实际运行中对厂房建筑所造成的影响。试验结果表明:当水轮机的导叶开角处于6°~12°时,由于整体压力及转轮流速变化不均,从而使尾水管产生了严重的偏心涡带,整个厂房建筑可以感到明显的振感,尤其是在试验台上的振感更为明显,并且可以清晰地听到明显的噪声。当导叶开角为12°~32°时,在此区间内,整体压力及流速变化较为均匀,水轮机组的运转过程也比较平稳,没有明显的振感和噪声。当导叶开角达到32°以上时,压力的整体变化比较平稳,只是在出口处突然发生紊乱,此时机组运转声音发生明显的改变,整个厂房的振感较前阶段有明显增强。

混流式水轮机顶盖水位上升原因分析及处理

水轮机顶盖是水轮机的重要组成部分,起到保护内部结构的作用。水轮机顶盖的作用是:与底环一起构成过流通道,防止水流上溢;支撑导叶、传动机构以及机组的部分操纵机构;支撑导轴承以及其他附属装置。水轮机顶盖在水轮机安全运行中起着不可忽视的作用,保护水轮机的运行安全和稳定。特别是立式混流式水轮机顶盖漏水较大时很容易造成设备损坏事故,甚至发生水淹厂房事故。本文介绍了某水电站混流式水轮机顶盖水位持续上升,自流排水不畅,导致顶盖潜水泵频繁启动排水,影响水轮机安全稳定运行。文章结合设备结构特点,从顶盖密封、主轴密封、导叶密封、管道四个方面分析了水轮机顶盖水位上升的原因,并提出了具体处理措施,最终解决了该水电站3号机组水轮机顶盖水位上升问题,为同类型水电站水轮机顶盖水位异常升高处理提供参考。

高寒大温差地区大型混流式水轮机转轮现场制作工艺研究

巴塘水电站作为金沙江上游高海拔地区的重要梯级电站,面临大型设备运输困难,各部件组装过程中加工工艺受限等问题。国内首次在厂房附近进行高寒大温差地区现场制造组装大型混流式水轮机转轮,并实现两台机组转轮静平衡试验零配重。笔者详细介绍了大型混流式水轮机转轮的现场组焊、加工、热处理、静平衡等及各工艺流程的质量控制,为后续高寒大温差地区电站的转轮组装工艺提供参考经验。

基于CFD的混流式水轮机优化设计及流动特性分析

为提高水轮机运行稳定性,在设计中综合采用提高设计水头、扩大活动导叶分布圆直径、加厚叶片等方法优化转轮水力参数,利用商业CFD软件,基于SST k-ω湍流模型分析改造前后内部流动特性,使新转轮在额定工况及低水头小负荷区域的流道内无明显脱流,水力性能显著改善。非定常计算结果表明,新转轮压力脉动性能良好,在低负荷区域受涡带影响较大,但幅值较低,能够满足长期安全稳定运行。

某高水头混流式水电站水轮机圆筒阀模型试验研究

首先介绍某高水头混流式水电站圆筒阀模型装置结构,进一步介绍了一种针对混流式水轮机圆筒阀进行全面模型试验研究的可靠方法,并在此基础上测试圆筒阀开度对水轮机性能的影响。结果表明:静态水推力开始随着圆筒阀开度的减小而增加,在圆筒阀开度降低到某值附近达到最大,然后开始下降;在小于20%圆筒阀开度后水轮机单位流量和效率急剧降低;圆筒阀开度减小时水轮机压力脉动将上升。

大型混流式水轮机导水机构剪断销故障处置方法探讨

剪断销是大型混流式水轮机导水机构的重要保护装置,若发生剪断将极大地影响机组的安全与稳定运行,减少机组可利用小时数。针对云南省某水电站大型混流式水轮机导叶限位装置失效事件,深入分析导水机构损坏和蝶阀连杆体断裂的原因,得出结论,产品设计和质量是导致剪断销剪断的主要原因。为此,本文提出了一系列改进措施,如加强导叶限位横销装置、增大剪断销直径、采用锻造工艺制造蝶阀连杆体、调整导叶端面间隙等。通过以上措施,理论安全系数从1.19提升至1.32,有效提高了水轮机组的运行安全性。本研究的改进方案具有实际应用价值,可为同类型水轮机的安全运行提供参考。

某水电厂1号混流式水轮机尾水管压力脉动试验研究

尾水管压力脉动是混流式水轮机运行稳定性的重要评价指标,研究尾水管压力脉动和机组振动稳定性对指导机组的安全运行、技术改造及科学调度具有十分重要的意义。对某水电厂1号机组进行了变负荷稳定性试验,分析了各工况下尾水管压力脉动、顶盖振动和水导轴承摆度信号之间的相关性。试验结果表明在部分负荷区域,尾水管压力脉动与顶盖振动及水导摆度信号高度相干,尾水管内低频涡带是引起机组振动的关键因素,对顶盖振动和水导摆度都有重要影响。

基于MEA评估框架的混流式水轮机健康状态动态评估

为了对混流式水轮机安全运行状态进行评估,根据混流式水轮机检修记录和在线监测信号,构建健康状态评估体系;基于组合赋权法和MEA评估框架,构建混流式水轮机健康状态动态评估模型;并以某重点调水工程水电站的混流式水轮机为例,进行实证研究。结果表明,基于MEA评估框架的混流式水轮机健康状态评估体系具有适用性和合理性。研究结果可为混流式水轮机健康状态评估提供参考与借鉴。

巨型混流式水轮机尾水管涡带CFD研究

本文结合SST k-ω湍流模型,建立水轮机全流道三维数值模拟方法,探究巨型混流式水轮机在低水头不同负荷工况下尾水管内部涡带形成机理及压力脉动变化规律。研究结果表明:在低负荷工况下,尾水管进口主流在转轮出口正向速度环量的作用下,易形成偏心螺旋状涡带,其旋转方向与转轮一致,此时尾水管内部可监测到主频为0.17倍转频(1.85 Hz)的低频压力脉动。而随着机组过流量增加,尾水管直锥段出现与转轮运动方向相反的涡带分布,并伴随着以2.16倍转频为主的高频压力脉动现象。通过比较不同泄水锥结构的计算结果,延长泄水锥结构可以抑制部分工况下螺旋状涡带的产生,使得尾水管内部主频压力脉动幅值减弱近45.9%。

基于BIM+数值模拟的混流式水轮机设计

针对水轮机结构复杂、设计难度较大、信息冗杂等问题,提出基于BIM+数值模拟的混流式水轮机设计方案。以HLFN-LJ-930混流式水轮机为例,分析BIM技术在设计阶段的应用机理,探讨BIM与数值模拟数据交互的途径,之后借助流体力学软件Fluent,采用RNG k-ε模型和SIMPLE算法对水轮机进行CFD数值仿真计算分析。结果表明:利用BIM协同工作、信息整合、可视化、碰撞检测等功能可有效减少水轮机设计过程中的不协调现象,提高设计质量和效率;利用Inventor内部API接口进行BIM与数值模拟软件的信息传输,可提高模型数据的完整性。通过数值模拟可知蜗壳内部流体流动情况良好,导叶头部有局部高压现象,转轮叶片背部和尾水管进口有局部负压区域,易发生空化现象,需进一步深化设计以提高其水力性能。

混流式水轮机大开度下的转轮抗泥沙磨损设计

发源于喜马拉雅山脉的河流均含有大量泥沙,不可避免对沿岸的水电站造成泥沙磨损破坏,严重影响水轮机寿命,危害水电站安全稳定运行。以尼泊尔长期处于大开度运行工况Jhimruk水电站的混流式水轮机转轮设计为基础,采用数值模拟手段,针对转轮进口,开展水轮机转轮抗磨损优化设计方案研究,重点分析不同方案下水轮机的外特性和转轮磨损特性。结果表明:3种设计方案均在不降低水轮机效率的情况下,降低了叶片的平均磨损率。通过改变叶片表面的水流流动方向,可以影响流道内的漩涡结构,削弱叶片压力面的横流,进而降低转轮的平均磨损。在当前的研究方案中,进口形状符合线性函数的方案二抗磨效果最好,磨损率可以降低35%。研究成果可为长期处于大开度下运行的水轮机抗磨损优化设计提供重要参考。

混流式水轮机压力脉动诱发有功振荡的机理分析

以水电为调节电源的多能互补系统中,要求机组在全容量范围内进行负荷调节,混流式水轮机尾水管压力脉动诱发的有功振荡问题越显突出。通过对机组有功振荡与压力脉动之间的关系分析,得出压力脉动频率与机组有功振荡固有频率之间的动力学机理。结合水电机组实际参数,研究机组有功振荡频率的变化及其影响因素,分析给出压力脉动频率与机组有功振荡固有频率共振区的计算方法,可为解决压力脉动诱发有功振荡问题提供参考。

混流式水轮机多工况运行转轮特性

为提高水轮机运行性能,该研究首先采用SSTk-ω湍流模型探讨混流式水轮机多工况运行转轮内流特性,并基于流固耦合方法研究0.35Qr,Qr(Qr为设计工况),1.09Qr工况下的结构场特性。量化分析三维流场速度、压力、涡流黏度、转轮等效应力与变形特征等参量,结果表明最大等效应力和最大变形量均随负荷增加而增大,且各工况下最大等效应力均出现在转轮叶片出水边靠近上冠处,最大变形量均产生在叶片出口边中间区域。0.35Qr、1.09Qr工况运行时水流在转轮进口的撞击产生轴向涡是涡流黏度、等效应力、变形量增加的主要原因,Qr工况最大等效应力大于0.35Qr工况,而小于1.09Qr工况。叶片与上冠连接处应力集中,且因连接位置约束性较强,其结构变形量较小。上冠处强约束使得叶片中心位置产生的变形量最大,进一步采用理论分析与数值模拟相结合的方法探讨不同材料转轮性能,研究表明Q345材料转轮的湿模态频率下降率最高,最大下降率为24.5%。Q345的湿模态频率下降率大于ZG00Cr13Ni5Mo,因此使用Q345材料时应充分考虑流体阻尼效应。各材料转轮临界转速均远高于水轮机工作转速,不会引发共振,Q345和1Cr18Ni9Ti的转轮抗变形能力最强,但Q345转轮质量相对1Cr18Ni9Ti转轮较轻,Q345更适用于制造转轮。不同材料转轮的等效应力、变形量等静力学特性分布规律相同,且转轮具有相同的模态振型,故相关研究成果可推广至其他常用材料,为水轮机设计及运行提供一定的参考与指导。