Simulation of Unsteady Water Film Flow on Pelton Bucket

In order to simulate the complicated unsteady flow in Pelton bucket, it is necessary to apply the animated cartoon approach. In this paper, a free jet and the inner surface of a bucket is described by boundary fitted grid (BFG) with non-orthogonal curvilinear coordinates. The water flow is discretized in space and time for CFD (computational fluid dynamics). The moving grids of water film are successfully projected onto the bucket’s inner surface by a projection algorithm. The visualization result of the jet landing on bucket’s surface and the unsteady flow in the rotating buckets in 3D verifies the effectiveness of the proposed method.

水斗式水轮机基准斗安放位置对水斗性能影响研究

常规水斗式水轮机在设计过程中主要依据比转速、水头等参数,结合水轮机型谱、经验公式进行选型设计,在设计过程中未对基准水斗安放位置进行限制。本文通过对水斗式水轮机的选型过程进行分析,发现基准水斗不同安放位置对水斗性能具有重要影响,应在设计中予以考虑。采用ANSYS CFX流体仿真软件分析表明:水斗分水刃顶点、圆心连线与水平轴夹角的改变将引起转轮扭矩的变化,增加转轮扭矩的波动程度,使水斗内流态、水斗表面压力场偏离原始水斗,易造成切水边工作面压力降低引起局部脱流,水斗背面附壁效应增强引起水斗局部空化。该研究结果可为大型水斗式水轮机选型设计提供理论指导,提升冲击式水轮机设计水平。

大型冲击式转轮机器人电弧增材制造技术应用研究

随着冲击式机组容量参数越来越大,机组核心部件转轮的尺寸不断增大,受制于锻件厂家设备制造能力和性能保障工艺,厚大马氏体不锈钢锻件质量风险巨大,成为大型冲击式机组能否研制成功的关键因素。而外部水斗结构复杂,锻件加工时材料利用率低,制造成本高,人工焊接时气孔、夹渣等缺陷不易控制,焊接质量风险大。本文通过基于电弧增材制造工艺结构设计、机器人电弧增材制造系统集成及工艺研究,开发出了一套适用于大型冲击式转轮制造的增材工艺,并成功应用于冲击式转轮的制造,大幅压缩了中心体锻件的规格,释放了厚大马氏体不锈钢锻件的制造风险,提高了外部水斗的材料利用率和焊接质量。

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。

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.

非定常水斗表面自由水膜的流动机理

冲击式水轮机水斗内非定常自由水膜的流动非常复杂,至今还没有足够精确的数值方法来模拟这种流动.文中分析了非定常水膜流的流动机理,根据N-S方程推导出了水斗表面流体粒子在转动坐标系中的相对运动控制微分方程,依据控制微分方程编写出了数值解析软件并对水斗内的水膜流动进行了数值模拟,定量地得到了某模型水轮机水斗内部流动的速度场、能量场.对比一系列水膜流态分布,数值解析得到的结果与试验观测结果基本相吻合,最优工况下的水力效率与模型试验数据的误差为0.33%.

冲击式水轮机水斗高应力区结构优化及加工

水斗高应力区的结构优化和高品质加工是保证冲击式水轮机水力性能的关键。建立了水斗有限元模型,并确定合理的边界条件;根据机组运行特点,确定水斗计算载荷工况,以及应力考核标准。同时在满足水力性能及强度要求的前提下,充分考虑水斗根部的可加工性。研究表明:斗根曲率均匀度、斗根深度和厚度是水斗应力水平的主要影响因素;通过水斗根部结构优化,水斗综合应力降低16%,交变应力幅值降低13.3%,交变应力平均值降低15.5%;通过强度计算验证了根部结构优化的水斗满足应力和疲劳设计要求。通过有限元和试验优化大长径比(20:1)减振刀柄中心孔尺寸,结果表明:当内孔直径为8 mm,振幅最小,通过试验验证和加工产品的实际应用,表明优化后的方案可满足设计结构水力性能及制造精度要求。

水斗非定常自由水膜流三维贴体数值模拟

本研究采用水斗三维非正交贴体坐标系进行了非定常自由水膜流动的数值解析。对不规则水斗内表面采用三维非正交贴体坐标系下离散点进行拟合,推导了曲面离散点的法向矢量和曲面微元面高斯曲率、平均曲率等几何特征量的计算公式,进而导出流体粒子在运动方向上曲率计算式。在水斗三维贴体坐标系中,还推导了流体粒子在水斗曲面上的运动控制方程。最后对某水轮机水斗内表面非定常自由水膜流进行了数值模拟,得到其非定常水膜流态分布。

水斗式水轮机喷嘴及水斗应力和振形研究

为分析水斗式水轮机转轮断裂失效原因,应用UG软件对转轮和喷嘴建立三维造型,并利用ANSYS软件对运行的单个斗叶进行应力分析,确定了斗叶的应力分布,得到最高应力值点在刃口处,通过模态分析得到了水斗式水轮机转轮和喷嘴的自振频率和振形图,为多喷嘴水斗式水轮机转轮水斗的强度设计和喷嘴的振动研究提供了依据。

三维自由曲面上特殊点的自然基本矢量

冲击式水轮机的水斗是具有三维自由曲面的几何体,在曲面贴体网格(BFG)上,为了正确分析冲击式水轮机的流动,有必要引用非正交曲线坐标系。本论文介绍了如何得到边界贴体网格点的自然基本矢量g。在计算基本矢量的过程中,对三个特殊点进行了研究。对这些点的自然坐标矢量运用对角线进行了重新定义,计算后得到了理想的计算结果。

水斗数对转轮性能影响的实验研究

研究了水斗数对冲击式水轮机性能的影响 .对水斗数不等的几个转轮进行了能量试验 ,发现水斗数与转轮性能密切相关 ,进而探讨了水斗数对转轮性能影响的原因 。

多喷嘴冲击式水轮机内部流动研究

为了提高冲击式水轮机的出力与比转数,在设计时往往采取增加喷嘴数,但喷嘴数的增加会引起转轮内部流动的相互干涉,降低机组效率。本文采用CFD技术对六喷嘴冲击式水轮机转轮内部流动进行数值模拟,通过水斗数与喷嘴数之间的相互流动计算结果,优化出六喷嘴冲击式水轮机在转轮斗叶数为21个时,正好与喷嘴数相匹配,得到单个水斗接受射流全过程的速度、压力分布以及水流迹线,多个喷嘴同时作用时转轮内部流动的干涉情况。

冲击式水轮机斗叶根部型线优化设计

应用UG软件完成转轮斗叶模型建立,采用CFD技术对多喷嘴冲击式水轮机内部流动进行数值模拟,并结合ANSYS软件对斗叶应力的分析结果,完成转轮斗叶及根部型线的优化,成功地解决了喷嘴数增加后,射流之间、转轮内部流动之间的流动干涉问题,保证了冲击式水轮机转轮的强度和水力性能,使设计的机组运行更加稳定,效率提高。

旋转水斗内的非定常射流干涉

采用动画解析法将冲击式水轮机旋转水斗内部的非定常流动进行时间和空间离散,在各离散的动画单元用拉格朗日法计算流体粒子的运动,模拟了非定常自由水膜流.对同一水斗,将第二射流的流动解析结果与对应的第一射流流态结果相叠加,就可根据叠加的水膜流态判断旋转水斗内的射流干涉现象.文中解析得到了旋转水斗内的射流干涉现象,并将其与模型试验照片的干涉现象进行了比较,确认发生了几乎相同的水膜流干涉.

水斗式水轮机转轮设计

本文论述水斗式水轮机的设计,特别论述水斗式水轮机转轮及其水斗的设计,详细解析其设计理论、设计原则及设计方法。

依透视投影法的冲击式水轮机水斗形状可视化

针对三维非正交曲线坐标系下对冲击式水轮机用平行投影法进行可视化投影缺乏现实性、旋转水斗内自由水膜随时空变化非定常的问题,为得到可视化流动解析结果并保持现实感,采用透视投影法最具有现实感。论述了透视投影法的理论依据,并根据转动坐标系和静止坐标系下不同视点和投影图心得到相应的投影结果,与文献摄影结果进行了比较分析,确认了有效性。

冲击式水轮机含沙三相流与磨损特性数值研究

冲击式水轮机在高水头水力资源开发中具有重要的应用前景,但其过流部件的泥沙磨损问题会是重要挑战。冲击式机组内部流动过程复杂,流动状态的转换多;挟沙流动时,水气沙三相流动特性尚不明确,目前相关研究仍然较为匮乏。本文采用欧拉—拉格朗日方法对颗粒在冲击式水轮机内的全流动过程进行了数值模拟,详细地分析了三相流的水力特性、泥沙颗粒的流动特性以及磨损分布特点。计算结果显示,颗粒运动特性与理论模型较为吻合,预测的过流部件磨损分布与实测结果较为相似。

用于CFD计算的急曲率水斗背面贴体网格离散方法

针对冲击式水轮机水斗表面的网格生成方法对计算流体流动、水轮机背面干涉和水轮机效率十分重要,基于边缘等分和定向投影建立了一种能适应急曲率水斗正面和背面贴体网格的生成方法,计算得到了一表面曲率急剧变化的水斗贴体网格。研究表明,此法简单易行,表面适应性强,对急曲率水斗正、背面均能获得均匀、平滑的贴体网格。

水斗式水轮机的直径比

本文专题论述水斗式水轮机的直径比,并阐明它与水斗式水轮机的水斗数、喷嘴数等物理量之间的关系。

数值法求解斗叶工作面射流微点相对运动轨迹

根据埃杰尔理论，将斗叶工作面剖分成三维有限单元，并编制了一整套程序来计算斗叶工作面射流微点运动轨迹．由ＣＪ２２－Ｗ－９０／１×１１水轮机在设计工况下的计算结果表明：ＣＪ２２型斗叶工作面型线良好，斗叶数也合适，但斗叶倾角应从１０．３°增大至１５°．将此结果应用于实践，解决了云南元江龙洞水电站机组振动问题．