Unsteady Flow Analysis of an Axial Flow Hydraulic Turbine with Collection Devices Comprising a Different Number of Blades

We previously devised a new type of portable hydraulic turbine that uses the kinetic energy of an open-channel flow to improve output power by catching and accelerating the flow. The turbine contains an axial flow runner with an appended collection device and a diffuser section that is not axisymmetric. The objective of this study is to determine how interference between the collection device and the runner influences performance characteristics of the turbine. We investigated the performance characteristics of the turbine and flow field for different numbers of blades during both unsteady and steady flow. During an unsteady flow, the maximum values of power coefficients for three and two blades increased by approximately 8.8% and 21.4%, respectively, compared to those during a steady flow. For the three-blade runner, the power coefficient showed small fluctuations, but for the two-blade runner, the power coefficient showed large fluctuations. These fluctuations in the power coefficient are attributed to fluctuations in the loading coefficient, which were generated by interference between the runner and the diffuser section of the collection device.

基于轴流泵改造的水泵水轮机转轮设计及优化

为探究基于轴流泵改造的轴流式水泵水轮机的水力性能,基于泵的流道,对轴流式水泵水轮机进行设计、数值计算。选取叶片进口安放角、出口安放角、叶片厚度、叶片数4个因素,应用L9(3^(4))正交表进行正交优化设计分析。结果表明,叶片数对轴流式水泵水轮机的性能影响最大,优化后的水泵工况效率提升了1.45%,水轮机工况效率提升了1.74%。优化得出的叶片水泵工况和水轮机工况的工作面背面的压力分布均匀,流态良好。泵工况下叶片做功效果良好,水轮机工况下的流道流线有明显改善,优化效果良好。设计的水泵水轮机在水泵工况下的工作流量为315~350 L/s,扬程范围为8.01~9.42 m;水轮机工况的工作流量为368~403 L/s,水头范围为6.80~10.72 m。研究结果可为泵站轴流泵改造抽水蓄能提供一定的理论支撑和性能参考。

喷针开度对冲击式水轮机转轮水力性能影响研究

冲击式水轮机是一种适用于中高水头段水力资源开发的流体机械,在我国西南地区高水头水力资源的开发中有着广阔的应用前景。本文以西藏紫霞水电站冲击式水轮机模型机转轮为研究对象,在5个不同的喷针开度下分别进行了转轮内部三维非定常多相流动数值模拟,分析了喷针开度对转轮水力性能与内部流动特性的的影响。预测结果显示转轮水力效率随开度上升而先上升后下降,在设计开度下水力效率最优。在0.75~1.60倍设计流量区间中,转轮水力效率的变化幅度小于1%。根据3个典型开度下转轮水斗内部非定常流动过程的对比分析,发现大开度工况时,水斗缺口处会发生水膜流的漏流现象,喷针开度越大时的泄漏量也越大,从水斗缺口处的漏流现象是其水力损失加剧的主要流动原因。研究为紫霞水电站230 MW大型冲击式水轮转轮水斗的水力优化设计提供了重要参考。

可实现性k-ε模型在水轮机流场计算中的应用

本文针对目前水轮机转轮内部流场计算中存在的偏工况计算困难的问题 ,探讨了一种不同于标准k ε模型的可实现性k ε模型 (Realizablek ε )在水轮机偏工况计算中的应用。文章首先对该模型的优点进行了分析 ,然后针对某混流式转轮进行了计算 ,计算与实验结果比较表明 ,二者在设计工况附近时十分接近 ;在小开度小流量下 ,对转轮的主要特征的预测也是成功的。但小开度下计算值与实测值之间的差别也表明 ,在水轮机偏工况计算中 。

贯流混流式水轮机的设计

介绍了贯流混流式水轮机的基本原理、水力性能、水流运动规律及其过流部件的水力设计理论 ,并根据这些理论进行了转轮的系列开发及实验研究 ,完善结构设计 ,推出了 3个水头段 8个转轮系列的小型机组 ,可替代中小型水电站应用最广泛的混流式水轮机。

轴流式水轮机转轮的准三维有族流动设计

本文提出了一种基于Ｓ１流面的轴流式水轮机转轮准三维有旋流动设计方法．通过联合迭代求解转轮区和导叶区平均Ｓ２ｍ流面流动以及转轮前后无叶片区螺旋流动，有效地考虑了转轮相关部件间流动的相互影响，克服了设计中给定转轮进、出口流动条件的困难．本文基于Ｓ１流面的给定Ｖθｒ分布的正、反问题迭代叶型设计方法，考虑了转轮内流动的周向不均匀性，保证了转轮的出力．通过Ｓ２ｍ流面计算给定初始叶形的Ｓ１回转流面反问题与平均Ｓ２ｍ流面正问题迭代，使得设计计算更为简便合理．

涡轮转速对无导叶对转涡轮流动特性的影响

为了探究无导叶对转涡轮在不同涡轮转速下的流动特性,运用CFD方法对某无导叶对转涡轮模型级的流场进行了三维定常多叶片排的数值模拟。结果表明,涡轮转速的变化对无导叶对转涡轮的喉部位置基本没有影响;随涡轮转速的升高,高压动叶内的激波损失增大,低压动叶内的激波损失减小,源生于低压动叶吸力面上的激波沿吸力面向尾缘移动;对于远离设计点的非设计工况,流动分离损失及低压动叶中的激波损失构成了对转涡轮损失中的主体;涡轮转速的变化对高低压动叶出口气流角及高压动叶出口马赫数的影响作用较大;高低压涡轮出功比、对转涡轮的总功率及等熵效率均随涡轮转速的增大而增大。

高含沙水流水轮机转轮的改型与抗磨蚀研究

进行高含沙水流水轮机转轮的改型研究 ,关键是要从正确确定转轮设计参数和轴面流道型式入手 ,根据三维水力设计理论 ,考虑导叶与转轮匹配关系进行叶型设计 ,针对不同破坏机理选择强磨蚀区采用金属喷涂或非金属保护等综合措施 ,使水轮机在高含沙水流中运行时出力增加、抗磨蚀能力提高。

小型混流式水泵水轮机水力设计

采用二元理论结合螺旋势流设计了混流式水泵水轮机,并利用Pro/ENGINEER建立三维几何模型。通过对不同曲率导叶的CFD数值模拟计算,分别得到水泵工况和水轮机工况下的流场流线图、速度图以及压力图,证实标准导叶更适用于混流可逆式机组。效率估算结果显示,机组效率在水轮机工况达到85%,水泵工况达到88%,说明设计方法可行。

混流式水轮机转轮的涡量场分析

本文利用涡量场和边界拟涡能流BEF(boundary enstrophy flow),对混流式水轮机转轮叶片进行了性能评价和优化。在转轮三维湍流数值计算基础上,通过控制拟涡能在叶片表面的分布,能够提高转轮最优工况下的水力效率。优化后转轮叶片表面的拟涡能比原型有明显改善,转轮流场的流动状况也明显改善,说明基于涡量场的分析对于混流式水轮机转轮叶片优化能够起到一定的作用。边界拟涡能流BEF能够从能量角度反映流体和固体之间的相互作用关系。

斜流式水轮机转轮准三元设计方法研究

根据准三元流动理论,研究斜流式水轮机转轮叶片的设计方法。推导出对斜流式水轮机转轮更为适用的S1和S2m流面的方程,用有限元法对两个流面方程建立有限元模型,并在S1相对流面首次引入了“等价速度三角形”理论,用轴向速度变化率ζ和流面倾斜参数η来修正因流面倾斜和轴向速度变化而引起叶栅性能变化的影响。利用在两个相对流面间进行迭代求解准三元设计方法,计算出的斜流式水轮机转轮可达到预期设计要求。该设计方法也可推广应用于其他流体机械转轮的设计。

水轮机转轮的三维粘性流数值计算及其结果分析

针对比转速ns为290的混流式水轮机转轮进行三维粘性流数值计算，并对计算结果作了初步分析．计算中，紊流模型采用目前国内外广泛使用的k-ε模型，流速与压力的迭代修正采用SIMPLE法．共对包括设计工况在内的8个工况点进行了流场数值计算及水力性能分析．计算表明，设计工况下的流速分布最为均匀，叶片进口边基本上为无冲角绕流，效率也最高；随着水头的提高，正冲角增加，最后在叶片背面进水边后靠上冠处产生漩涡区；而当水头相对设计水头降低时，负冲角增加，最后在叶片正面进水边后靠上冠处产生漩涡区．经分析认为这些漩涡区是非设计工况下叶道涡产生的根源，亦是水力性能下降的主要原因．此外，通过对压力系数分布曲线的分析，确定了局部低压区，从而为改型设计提供了依据．计算结果不仅能详细给出水轮机转轮内的流速和压力分布，而且能给出水轮机转轮的水力性能预估值，本计算所依赖的计算软件可成为水轮机转轮开发研究的重要手段．

混流式水轮机转轮优化设计的空化流计算

采用求解时均N-S方程,结合气液质量输运方程的两相流方法,在水轮机优化设计中进行转轮的空化流场分析。结果显示:在高水头下适当增加叶片包角,延长出水边,数值计算效率为94.7%,明显高于改型前的93.4%;叶片压力分布更为均匀,最优工况点的临界空化系数也低于改型前的0.03,空穴区域减小,转轮的空化性能得到改善。计算结果与实验结果相符,为转轮的再优化设计提供了参考依据。

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.

混流式水泵水轮机三维湍流数值分析

采用重整化群k-ε湍流模型对混流式水泵水轮机整体三维流动进行了雷诺平均N-S方程的数值计算。分析了水泵工况和水轮机工况水泵水轮机整个通道内的水流流动情况,对水泵工况计算结果进行了详细分析,并与模型试验结果进行了对比。

轴流转桨式水轮机转轮叶片转动机构的发展演变过程

轴流转桨式水轮机由于叶片和导叶能实现协联调节,能有效地利用水力资源而获得广泛应用,自20世纪20年代诞生以来相关技术得到快速发展。本文从轴流转桨式水轮机多种型式的转轮叶片转动机构技术改进的视角,对轴流转桨式水轮机转轮结构的演变历程,不同转轮叶片转动机构的特点及其优缺点进行了综述和评价。通过对其演变历程的梳理,指出了未来轴流转桨式转轮结构发展和改进的方向,以启发水轮机研发工作者进一步探索和改进转桨式水轮机,促进我国转桨式水轮机的发展。

轴流式转轮叶片奇点分布法CAD软件设计与研究

现代轴流式转轮叶片设计中,奇点分布法因计算工作量大较少采用,但其理论的严谨性、推导的严密性比常用的统计分析法和升力法更符合流体动力场的客观规律,因而可减少研制新转轮的实验工作量和验证实验数据的可靠性,获得优秀水力模型。本文应用计算机技术,结合流体动力学理论,进行了奇点分布法设计轴流式转轮叶片的CAD应用软件的设计与研究。

基于逆向设计理论的水泵水轮机设计与数值模拟

针对水泵水轮机效率普遍较低这一问题,借鉴低比转数混流式水轮机的叶片设计理论,对一给定参数的水泵水轮应用水轮机逆向设计理论对水泵水轮机进行水力设计、三维造型和ICEM网格划分;通过建立相对坐标系下的时均连续方程及N-S时均方程等控制方程组,利用标准k-ε湍流模型来封闭方程组,采用有限元体积法进行离散,离散方程的压力-速度耦合处理采用压力耦合方程组的半隐式(SIMPLEC)算法对水泵水轮机进行数值计算,得到其内流场流动特性,与试验的水泵和水轮机工况下压力分布对比分析,预测了水泵水轮机在设计工况下的转轮效率.数值模拟结果表明,基于逆向设计理论设计的水泵水轮机工况的最优效率可以达到91%,水泵工况的最优效率达到82%,充分说明应用逆向理论设计方法对水泵水轮机的设计,可以兼顾水泵工况和水轮机工况在较优的情况下运行.

混流式水轮机转轮紊流流场的计算机仿真

基于雷诺时均N-S方程和Realizablek-ε紊流模型,采用有限体积法,在拼片式块结构化网格上建立离散方程,选择二阶中心差分及二阶迎风差分格式作为空间离散格式,采用全隐式时间积分方案进行时间域离散.用全隐式多网格耦合技术求解离散方程.用CFX-TASCflow流体流动分析软件,对一个混流式模型转轮进行了三维非定常紊流计算,数值模拟了转轮内部三维紊流流场,得出了设计工况下的三维流场分布.应用计算机仿真技术对转轮进行流态分析,可以减少模型试验的次数,提高转轮的性能,从而缩短设计周期,降低成本.

HL240转轮改型设计与研究

本文运用近年来水轮机设计中取得的一些最新成果，结合新疆伊犁团结水电站混流式水轮机的增容改造，在不改变引水部件和尾水管的形状、参数及转轮与主轴联配关系的前提下，对转轮的上冠、下环型线及叶片进出口边的轴面投影进行了改型设计，应用三维流Ｓ２流面有旋流动的反问题计算重新设计了转轮。新转轮在１８ｍ水头下机组出力达１２５０ｋＷ，较原机组增大２５％，且运行平稳、振动小。