对旋轴流水轮机的非定常数值模拟研究

为了研究采用对旋转轮的新型轴流式水轮机的非定常性能,应用三维非定常数值计算方法,对该新型水轮机进行了数值模拟研究。数值计算中,采用了全三维全流道的数值计算方法,基于DES(Detached Eddy Simulation)方法获得了对旋轴流水轮机的非定常流场和能量性能。计算结果显示,该新型水轮机在一个转动周期的不同时刻,其内部流场存在显著的非定常特性。

轴流水轮机主轴工作密封的技术革新

本文阐述了隔河寨三级水电站水轮机主轴工作密封运行中出现的故障,分析了产生故障的原因,提出了技术改造方案,并进一步说明了该方案的运行情况。

轴流水轮机操作油管断裂的分析及处理——以巴江口电站机组为例

巴江口电站机组近期出现受油器漏油,油盆甩油,造成调速器油箱油位过低的现象,直接造成大量的电力资源浪费和经济利益的损失。文章采取循序渐进和实际经验相结合的方法找到故障来源,通过逐步排除的方法对问题进行处理,最终通过改善焊接工艺和更换材料处理,解决了由于操作油管断裂引起的漏油问题。

浅议小型水电站轴流水轮机技术改造

山前水电站ZD661转轮系1964年水轮机型谱中的转轮,相当于国外20世纪30-40年代的技术水平,水轮机效率明显偏低、转轮汽蚀严重,机组亟待更新改造。经分析预测,山前水电站转轮更换后,每年可增加发电量7%。河北省1982年以前投产发电的装机容量500kW以上的ZD560、ZD661机组就达24台套,总装机容量9381kW,其中单机容量500kW以上的机组有10台套,因此,机组技术改造的潜力较大。

基于三维技术的轴流水轮机模型设计及制造

随着科学技术的发展,我国的三维技术有了很大进展。在水轮机模型设计及制造领域,三维技术作为一种新的设计理念和先进的设计手段,其优势越来越显著。基于三维设计和数控加工技术,研究了轴流转桨式水轮机模型各个部件的结构设计方法、制造工艺要求和压力测点布置,对水轮机模型蜗壳内腔体、导叶、转轮叶片等关键过流部件进行了三维参数化设计,并进行流体分析优化设计方案;并采用三维模型生成IGS格式文件直接进行编程数控加工,从而提高了加工制造的质量和效率,缩短了开发周期,同时使得复杂的水轮机流道、抽象的叶片空间曲面变得更加直观、具体,也展示出了三维技术在水轮机模型设计及制造领域的巨大优势。

叶片安放角对微型轴流式水轮机性能的影响

为探究叶片安放角对微型轴流式水轮机水力性能的影响,以一比转数为548的微型轴流式水轮机为研究对象,在不改变其他几何参数的前提下,仅偏置转轮叶片各翼型剖面,得到7个不同叶片安放角的转轮;在试验验证的基础上,通过全流场数值计算,分析了改变叶片安放角对微型轴流式水轮机水力性能的影响.结果表明:随着叶片安放角的减小,在相同流量下水轮机的水头与出力均增大,高效率区域向小流量区域偏移,水轮机可高效运转的范围有一定程度的增大;随着叶片安放角的增大,水轮机的水头与出力减小,高效率区域向大流量区域偏移.适当减小叶片安放角的水轮机能在较大水头(流量)变化范围内维持较好的性能.其中,安放角为-4°的水轮机最高效率达到82.13%,高效率区的范围最大.该研究可为微型轴流式水轮机转轮的设计提供一定参考.

泥沙粒径对轴流式水轮机磨损特性的影响

为了明确轴流式水轮机泥沙磨损特性,以某电站水轮机为研究对象,基于欧拉-拉格朗日多相流模型开展了固液两相流动数值研究,重点关注泥沙粒径对机组过流部件表面侵蚀率和侵蚀分布的影响.研究发现,叶片正、背面轮缘附近为泥沙磨损高风险区.随着泥沙粒径增大,叶片正面侵蚀程度加剧,背面侵蚀程度减小,磨损区域逐渐集中在轮缘附近;颗粒受泄漏涡影响在转轮室壁面形成沿旋转方向的条状侵蚀痕迹;尾水管锥管段侵蚀率逐渐降低,不同出口流道磨损程度的差异性增大,泥沙颗粒在锥管段形成沿泄漏涡延伸方向的带状螺旋侵蚀痕迹.在运行过程中,磨损程度最大的部件是尾水管,其次为转轮和转轮室,应避免机组长时间在过小或者过大泥沙粒径条件下运行,检修时应重点关注转轮叶片和转轮室的泥沙磨损情况.研究归纳出轴流式机组运行过程中的泥沙磨损高风险区,可为水轮机各过流部件泥沙磨损的定量分析提供一定参考,有助于合理安排机组检修周期,同时为轴流式水轮机进一步优化设计提供理论基础.

基于数值仿真的轴流定桨水轮机尾水涡带抑制措施研究

本文以轴流定桨水轮机为研究对象,设计了两种可以抑制尾水涡带的补气措施。采用基于气液两相流的定常数值仿真计算,选取偏负荷典型工况进行了不同补气比条件下的仿真试验。研究发现采用尾水管短管补气只能消除部分尾水涡带,而采用泄水锥中心孔补气可以较为完全地抑制尾水涡带的产生。但同时发现从泄水锥中心孔补入的气体会影响尾水管过流,造成蜗壳入口处的流量下降约3.5%。本研究可进一步丰富补气对轴流定桨式水轮机尾水涡带抑制效果的仿真数据和试验理论。

基于数值仿真的轴流式水轮机反向抽水性能评价

为了对轴流式水轮机反转条件下做泵实现储能的性能进行评价,对某型号的轴流转桨式水轮机进行数值模拟研究,通过选取5种导叶开度和4种桨叶开度进行组合,导叶开度分别为30°、35°、40°、45°、50°,桨叶开度分别为15°、20°、25°、30°。对每种组合情况在流量变化范围为0.5Q_(d)~1.3Q_(d)内分别进行数值模拟计算,并对每种组合情况下的扬程、效率和功率分别进行分析。结果表明:桨叶开度与水轮机反向抽水扬程呈正相关关系,即桨叶开度越大,轴流式水轮机反向抽水扬程越高。而桨叶开度与水轮机反向抽水效率呈负相关关系,即桨叶开度越大,反向抽水效率越低。桨叶开度对水轮机反向抽水功率变化影响显著,而导叶开度对水轮机反向抽水功率的影响较小。

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。

轴流式水轮机全流道内非定常空化湍流的数值模拟

为了研究轴流式水轮机内部的空化流动,将Fluent 6．1商用软件中的一种完整空化模型和一种混合流体两相流模型相结合,对某水电站原型轴流式水轮机全流道内的非定常空化湍流进行了数值模拟。根据模拟结果,预测了水轮机在特定工况下运行时流道内空化发生的部位和程度,并对水轮机的能量性能进行了预估。数值预测的空化流动现象与模型水轮机空化试验中所观察到的现象基本一致,说明数值模拟结果可为轴流式水轮机的运行性能预测提供参考。

轴流式水轮机叶片进水边形状对其性能的影响

针对轴流式水轮机叶片几何形状差异对水轮机的运行性能和运行范围产生的影响,研究了轴流式水轮机不同叶片进水边形状与水轮机性能参数之间的关系。在相同叶片安放角的情况下,对具有3种不同叶片进水边形状的轴流式模型水轮机进行数值研究。研究结果表明:在相同的叶片安放角的情况下,不同的叶片进水边形状不仅可以改变流道中从轮毂到轮缘的流量及环量分配;而且能够有效的改善叶片正背面压力分布,减小转轮内部的低压区,提高水轮机效率及空化性能;同时不同的水轮机进水边形状可以调节水轮机运行范围。研究结果可为水轮机的优化设计提供理论指导。

轴流式水轮机内部空化流动的数值预测

将一种完整空化模型和一种混合流体两相流模型相结合,应用于轴流式水轮机全流道内定常空化流动的数值模拟。根据模拟结果,分别预测了水轮机在正常和较低尾水位情况下运行时,流道内空化发生的部位和程度,重点考察了尾水位的降低对水轮机空化性能的影响,为水轮机在特定运行工况下的空化性能预测提供参考。

轴流式水轮机内三维空化湍流的数值研究

采用一种完整空化模型和一种混合流体两相流模型,对轴流式水轮机全流道内的定常空化湍流流动进行了数值模拟。根据模拟结果,考察了水轮机在低尾水位下运行时流道内空化发生的部位和程度,并对水轮机的空化性能进行了预估。数值预测的空化流动现象与模型水轮机空化试验中所观察到的现象基本一致,说明数值模拟结果可为水轮机的空化性能预测提供参考。

超低水头轴流式水轮机CFD优化及流动特性研究

结合某水电站改造要求,研发了一种设计水头为2.75m的超低水头轴流式水轮机并对其性能进行优化,以达到有效利用低水头水力资源的目的。基于不可压缩连续方程及雷诺时均Navier-Stokes方程,采用Spalart-Allmaras湍流模型和SIMPLEC算法对轴流式水轮机进行三维全流场数值模拟,分别分析了轴流式转轮叶片翼型、轮毂比、导叶开度及安放角对水轮机性能的影响,并对最优模型进行实测验证。结果表明,在满足设计水头为2.75m的情况下,选用配置叶片B、轮毂比为0.30、叶片相对安放角为-2°的水轮机,当导叶相对开度为0°时,装置水力损失最小,最高效率达83.7%,且数值模拟计算所得出力与实测结果误差小于0.99%,表明基于CFD的数值模拟对超低水头轴流式水轮机的性能预测精度较高。

轴流式水轮机转轮流固耦合计算

在利用轴流式水轮机全流道三维非定常湍流数值计算和利用弹性力学非稳态有限元法计算轴流式水轮机转轮叶片动态的应力和应变的基础上,利用弱耦合算法完成了轴流式水轮机在有粘有旋条件下的流固耦合计算,得到了叶片的动态应力和动态应变,并对结果进行了讨论.

轴流式模型水轮机压力脉动试验与数值计算预测

本文将利用RNG k-ε湍流模型对轴流式模型水轮机进行了全流道三维非定常湍流计算,预测模型水轮机的压力脉动性能.同时,本文对轴流式模型水轮机进行了压力脉动试验,通过对模型水轮机压力脉动试验结果与数值计算结果的对比.以验证数值计算预测压力脉动性能的准确性和可行性。

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。

轴流式水轮机模型飞逸过程三维湍流数值模拟

通过作者建立的非稳态过程三维湍流数值模拟方法,模拟了轴流式水轮机模型飞逸过程,并进行了其三维数值湍流计算,获得了机组到达最大转速时所需时间、最大飞逸转速值、飞逸过程内特性流场演变规律以及转速、流量、力矩与测点静压随时间变化的曲线。计算结果表明,所得最大飞逸转速与试验值非常接近,误差在1.5%以内;所得力矩及流量等外特性参数变化过程均符合高比转速水轮机理论特性;当转速增大到某一数值之后,尾水管水力稳定性急剧恶化是引起机组振动的主因。

空化对轴流式水轮机尾水管压力脉动和转轮振动的影响

研究空化对轴流式水轮机尾水管压力脉动和转轮振动的影响规律,可为改善轴流式水轮机运行稳定性提供理论依据。该研究构建了包含高速摄像、激光测振仪(Laser Doppler Vibrometer,LDV)及高频压力脉动传感器的同步测试系统,并通过该系统获得了变空化系数下轴流式水轮机压力脉动数据、转轮径向振动数据及空化图像资料。综合变分模态分解(Variational Mode Decomposition,VMD)、频谱分析以及互相关分析法,揭示了空化对轴流式转轮振动和尾水管压力脉动的影响规律。结果表明:进入空化发展阶段后,尾水管锥管上的压力脉动幅值与转轮径向振动幅值会随空化程度的增加而提高;针对该研究的轴流式水轮机模型,转轮完全空化后,压力脉动峰峰值和转轮径向振动速度峰峰值是无空化时的9.16和10.12倍;空化所导致的转轮径向振动速度信号的中高频幅值提升局限于12.0~200.0倍转频的频率范围内;空化程度的增加还会导致压力脉动出现高频能量局部极值迁移现象,增加了其诱发机组共振的可能性。该研究对提升农业水利工程中轴流式水电站的经济性和运行稳定性有重要意义。