Sediment Erosion on Pelton Turbines:A Review

The Pelton turbine has been widely used to develop high-head water resources with sediments because of its advantages in life cycle costs.When a flood or monsoon season occurs,the sediment concentration in the river increases suddenly,causing severe erosion to the nozzle,needle,and runner of Pelton turbines.After decades of development,researchers have developed practical engineering experience to reduce the sediment concentration of the flow through the turbine and ensure the safety and efficiency of power generation.Research on the mechanism of sediment erosion,development of anti-erosion materials,and establishment of erosion prediction models have attracted scholarly interest in recent years.Extensive research has been conducted to determine a complete and valuable syndication erosion model.However,owing to the complexity of the flow and wear mechanisms,the influence of specific parameters of erosion and the syndication effect is still difficult to determine.Computational fluid dynamics and erosion monitoring technology have also been evaluated and applied.This paper presents a comprehensive review of the erosion of Pelton turbines,some of the latest technical methods,and possible future development directions.

冲击式水轮机泥沙磨损试验测试系统研发

冲击式水轮机在多沙河流上运行时会面临十分严重的泥沙磨损问题。针对目前国内缺乏冲击式水轮机泥沙磨损研究试验系统的情况,研发了一套冲击式水轮机泥沙磨损试验测试系统。该系统由管路及供水系统、沙水池及泥沙搅拌系统、水轮机试验机组、数据采集与测控系统等部分组成,可支持最高水头800 m、最大流量300 m^(3)/h和最高水轮机转速2500 r/min的冲击式水轮机泥沙磨损和性能试验,采用可编程控制器(PLC)和LabVIEW软件可实现供水泵启停、水轮机转速调节和管路阀门自动控制,同时能实时监测水轮机转速、水头、流量等关键参数。经过试验显示该泥沙磨损试验测试系统具有精度高(达0.3%)、自动化水平高、运行稳定、操作简单以及人机界面友好等特点。

500 MW级冲击式水轮机配水环管加工工艺研究

介绍了500 MW级冲击式水轮机配水环管的加工工艺以及厂内装配工艺研究。配水环管是冲击式水轮机的重要过流部件,配水环管设计为多节,每节配水环管厂内加工、整体预装完成后分节运输到电站进行装配焊接,各节配水环管的加工尺寸和管口角度对现场安装起决定性的影响,对后期机组的稳定运行有重大影响。通过对配水环管各节加工工艺研究,确定了配水环管制造加工工艺流程,保证了配水环管加工精度和质量,配水环管整体厂内装配,经过高精准测量,保证了配水环管装配后尺寸满足设计和安装要求。

基于谐响应分析的冲击式水轮机转轮共振预测

冲击式水轮机水斗的疲劳断裂与转轮的周期性振动密切相关。以六喷嘴冲击式水轮机模型机组转轮为研究对象,采用基于模态叠加的谐响应分析法,获取转轮在实际工作载荷激励下的形变与应力响应并评估薄弱部位,结合坎贝尔图确定共振转速。结果表明,在实际运行工况下转轮三阶模态振型最易被激发,最大形变值为21.50mm,位于水斗尖端;七阶与八阶频率下被施加最大简谐载荷的水斗等效应力值较大,从根部向水斗尖端缺口处递减,最大应力值出现在分水刃根部,发生明显的应力集中;坎贝尔图显示易发生谐共振的转速为587r/min、660r/min、785r/min,在实际运行中应进一步测试与避免。

冲击式水轮机转轮水斗汛期泥沙磨损特性分析

泥沙磨损是冲击式水轮机水力部件失效的主要原因之一,特别是在汛期时,过机泥沙含量会大幅增加,而转轮水斗表面的挟沙三相流动过程复杂,其磨损问题会更为严重。本文以规划建设的西藏紫霞电站冲击式水轮机为研究对象,根据设计院提供的电站实测泥沙特性数据,采用Mansouri磨损模型和欧拉-拉格朗日方法对泥沙颗粒在转轮水斗表面的流动过程进行了三相流动数值模拟,分析了电站在汛期高泥沙浓度下颗粒的流动特性以及水斗表面的磨损分布。预测的水斗表面磨损分布与文献中实测的较为一致,预测结果表明水斗主要磨损区分布在靠近水斗根部的出水边附近以及缺口边附近;磨损分布和冲击次数的分布相似度最高,冲击次数对泥沙磨损的影响很大。

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。

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。

基于欧拉-拉格朗日方法的冲击式水轮机配水机构泥沙磨蚀机理研究

冲击式水轮机凭借其在高山地区,特别是在中国西南地区的独特优势受到越来越多的学术关注度。本文研究了泥沙磨蚀对冲击式水轮机的水力特性,特别是二次流对不同条件下泥沙磨蚀的影响,详细分析了泥沙颗粒参数(泥沙颗粒大小、浓度)。首先对两相流动的数值仿真结果和模型实验结果进行了比较,验证了仿真结果的准确性。在两相流动的基础上,利用欧拉-拉格朗日方法求解了气液固三相流动。针对冲击式水轮机配水系统即配水环管、分叉管和喷嘴结构研究了上述参数对于磨蚀的影响机理。结果表明,泥沙的磨蚀作用破坏了分叉管内的旋涡结构。随着泥沙颗粒直径的增加,不同分叉管的流量趋于均匀。由于喷嘴处颗粒在喷嘴处强烈碰撞作用,磨蚀作用增强。同时,随着浓度的增加,磨蚀程度也增加。

冲击式水电机组不同工况下孤网运行的稳定性分析

我国西南建有大量的冲击式水电机组的水电站,这些水电站与电网联系薄弱,孤网运行稳定性问题突出。对此建立了冲击式水轮机的数学模型、完善了冲击式水电机组孤网分析模型,研究了孤网条件下冲击式水电机组的控制参数稳定域。首先,根据电站实际情况建立冲击式水轮机的非线性模型。其次,根据李雅普诺夫第一方法开展稳定性分析,在不同运行工况点对冲击式水轮机进行线性化,获得相关传递系数,代入孤网分析模型建立状态方程,根据临界稳定条件求出稳定域。最后,通过非线性模型仿真对分析结果进行验证。结果表明,喷针开度变化时对运行稳定域的影响较大,不能忽视;调速器参数整定时,需对所有运行工况进行分析,按最小稳定域工况进行参数优化。

不同喷嘴组合形式下冲击式水轮机飞逸特性研究

随着中国西南地区水力资源的进一步开发,冲击式水轮机已被进一步研究和使用。但是其在飞逸过程中,射流极不稳定,转轮转速会迅速增加,输出功率不可控,这会对冲击式水轮机造成损坏和安全运行风险。本研究应用计算流体动力学方法对六喷针冲击式水轮机的飞逸过程流动特性开展数值模拟研究,计算了包括六个喷针开度从6~30mm的7个工况和一个、三个喷嘴分别工作时的10个工况,进而获得了不同工况下的飞逸转速的变化规律。结果表明:当六个喷嘴处于工作状态时,飞逸转速为额定转轮速度的1.55倍,低于理论计算的1.936倍,并且飞逸转速随着喷针开度增大而均匀增加。在最优开度为18mm(行程等于1)的情况下,在三个喷嘴(1号、3号和5号)和一个喷嘴(1号)分别工作时飞逸转速是转轮速度的1.66倍和1.68倍。最后,确定了高速射流及二次流旋涡强度对飞逸转速的影响,六喷嘴条件下二次流引起高强度旋涡结构,且射流之间、射流与水斗之间存在干涉,使得水力损失增大,飞逸转速较小。单喷嘴和三喷嘴条件下旋涡强度较低,射流之间干涉很小或者没有干涉,飞逸转速较六喷嘴条件更高。

超大容量水斗式水轮机水力特性数值模拟分析

为满足超高水头、超大容量水电站建设需求,提出了一种额定水头1000 m,单机容量接近800 MW的三转轮立轴串联水斗式水轮机方案。阐明了这种通过增多转轮来增大容量的设计理念和结构组成,给出了方案的理论设计参数,并应用CFD模拟预测了其水力特性、分析和优化转轮及转轮室流态。研究表明:三转轮水斗式水轮机的额定工况效率可达87%,工作特性曲线变化平稳。转轮室溅水干扰是影响效率的主要因素。通过优化各层转轮相对位置和喷嘴方位,可一定程度提高效率,减小力矩振荡,保证出力稳定。此初步尝试证明了概念的可行性,也发现溅水优化的重要性,能为后续优化研究提供参考。

大型冲击式水轮机球型分岔配水机构水力特性及磨蚀预测

随着冲击式水轮机向大容量发展,配水机构的水沙气多相流特性和泥沙磨蚀受到广泛关注。为此,提出一种月牙肋球型分岔六喷嘴配水机构,采用RANS-ELES混合紊流数值模型模拟了配水机构的水力特性,水气交界面采用VOF模型进行追踪,并分析了不同肋宽比对流场和泥沙磨蚀的影响。结果表明:小肋宽比能改善配水机构射流质量,并有利于配水环管分叉部位抗泥沙磨蚀。研究成果可为类似冲击式水轮机的设计与运行提供借鉴。

冲击式水电机组孤网调节特性仿真与试验

水电机组由于多种原因可能进入孤网运行模式,保证孤网运行的稳定性是保障供电和加快电网恢复的重要前提。为有效地开展冲击式水轮机调速系统的调节特性和控制策略研究,本文建立了冲击式水电机组调节系统分析数学模型,仿真分析了孤网下小负荷扰动与大负荷扰动的冲击式水电机组调节特性,通过突甩负荷仿真验证了不同折向器投退策略的效果,并开展了冲击式水电机组孤网调节的现场试验,验证了本文所述数学模型的正确性。合适的折向器投入与退出频率设置和合理的调速器的控制参数是保障孤网运行稳定性的重要保障。

水斗式水轮机喷射机构水力性能研究

水斗式水轮机喷射机构的主要作用是将水流的压力能转换为动能并形成高速射流,高速射流的质量直接影响着水斗式水轮机的能量转化效率。采用无网格运动粒子流方法对不同喷针开度下水轮机喷射机构的流量特性、喷针尖受力特性以及喷嘴出口射流流态分布特征等进行数值模拟研究。研究结果表明:随着喷针开度的增加,喷嘴出口流量逐渐增大,其增长率逐渐减小,喷针尖所受水推力逐渐增大;喷嘴出口射流自由液面逐渐出现发散现象,其表面变得不光滑。这与水力模型试验结果是相符的,验证了该方法的有效性,同时给水斗式水轮机的水力设计者提供了新思路。该方法可大大提高水力优化设计效率,具有一定的工程应用价值。

500MW冲击式水轮机关键技术研究

西藏扎拉水电站需装设2台500 MW冲击式水轮发电机组,是目前全球在建单机容量最大的冲击式水轮发电机组。为提升大型冲击式水轮机制造水平,基于试验和数值模拟分析总结了扎拉电站水轮机在高效率转轮模型水力开发、重大不锈钢转轮锻件制造、大型冲击式转轮制造等方面存在的技术难点。结果表明:(1)在高效率转轮模型水力开发方面,可采用定常的气液两相流CFD分析配水环管、喷嘴,采用非定常两相流CFD分析转轮;扎拉水电站水轮机转轮内部流动均匀合理,整体具有良好的水力性能。(2)在重、大不锈钢转轮锻件制造方面,关键技术主要在于钢材冶炼、锻造和热处理这3个过程中材料化学成分的优化、锻件锻造载荷和锻造温度控制及热处理工艺;扎拉水电站水轮机的重、大转轮轮毂不锈钢锻件的质量可行。(3)在大型冲击式转轮制造方面,扎拉水电站水轮机转轮采用锻焊结构,合理选择了水斗和轮毂的分瓣位置及焊接工艺,实现了转轮焊接接头疲劳寿命与水斗根部的疲劳寿命等同。

塔吉克斯坦某水电站水力机械过渡过程计算分析

为了保证水电站的安全经济运行,采用有压管道非恒定流数学模型和特征线法,并使用计算机软件MATLAB对塔吉克斯坦塞布佐水电站的大波动和小波动过渡过程典型工况进行数值计算研究。根据计算结果和数值分析,确定配水管最大压力、机组最大转速等参数,为引水系统结构设计提供依据,并对机组的稳定运行方式提出合理的建议和要求。

西藏扎拉水电站工程关键技术综述

为提升西藏地区水电开发水平,以扎拉水电站为研究对象,结合该工程特点,总结了扎拉水电站工程勘察设计中遇到的关键技术问题,并通过方案比较、试验研究等手段提出了解决思路和具体方案。扎拉水电站采用引水式开发,工程无法避让区域性闹中活动断裂,具有“高水头、冲击式、深竖井、多断裂带”等特点,同时将装备世界最大的单机容量(500 MW)冲击式机组,工程建设面临较大挑战。对此,扎拉水电站引水开发选择采用“裁弯取直”方式,可较好适应藏东南高山峡谷地区大拐弯段的河流条件。在设计引水隧洞时,采取减小过闹中断裂引水隧洞规模,设置排水洞,混凝土衬砌采用铰接设计以及加强安全监测等综合措施。针对500 MW冲击式水轮转轮,推荐采用锻焊加工制造方式,水斗分瓣考虑避让根部高应力区,转轮轮毂外径约4 900 mm,焊接接头的冲击功可达到70 J(0℃)左右,可基本满足转轮设计制造的要求。

500MW冲击式水轮发电机组设计制造可行性研究

500 MW冲击式水轮发电机组超出了国内外现有冲击式机组单机容量应用实例范围,其核心部件的设计制造难度较大,为了研究其设计制造可行性,利用统计分析、数值模拟计算、模型试验等方法,对机组设计、水轮机核心部件制造、发电机高海拔防电晕结构等方面进行创新研究。研究结果表明:扎拉水电站500 MW冲击式机组的设计制造不存在制约性因素,可立足于国内自主完成。研究成果可为增强中国水电行业装备制造能力以及高水头水电站开发提供参考。

导水叶栅对冲击式水轮机喷射机构流动特性的影响

为研究导水叶栅对冲击式水轮机喷射机构流动特性的影响,设计了7种不同导水叶栅数方案和5种不同导水叶栅出水角方案,应用RNG k-ε模型和VOF模型,在额定工况下对考虑弯管进口的冲击式水轮机喷射机构进行数值计算,分析导水叶栅对喷射机构流动特性的影响.结果表明:由进口弯管引起的迪恩涡以及由导水叶栅绕流引起的卡门涡始终存在于喷射机构内部及射流区域,这些涡流的存在造成射流液面在弯管内侧和导水叶栅下游出现变形,并导致射流扩散;不同导水叶栅数的喷射机构射流偏心存在差异性,导水叶栅增多,射流内侧液面凸起和射流扩散现象得到缓解,但导水叶栅下游射流液面对应区域的变形更加剧烈,进而影响射流质量;导水叶栅出水角的改变对导水叶栅引起的拉伸涡有一定的影响,但相较于导水叶栅数,导水叶栅出水角对喷射机构流动特性影响较小.

冲击式水轮机喷射机构空化特性模拟研究

空化空蚀的存在对水轮机的运行十分不利,不仅会降低水轮机的出力和效率,破坏水轮机的过流部件,严重情况时会导致水轮机不能安全稳定运行。对空化位置的准确识别有助于预防空蚀破坏,文章利用流体软件中的VOF多相流模型及SST k-ω湍流模型,基于Schnerr-Sauer空化模型对冲击式水轮机喷射机构进行了数值模拟。通过分析额定设计水头下不同喷针开度的参数变化对喷射机构流场的影响,获得速度、压力和气相体积分数的分布规律。得到的主要结论如下:流体流经收缩管段,速度迅速升高,喷嘴的出口转弯处绝对压力迅速下降至形成空化所需要的饱和蒸汽压力,为空化创造了条件。在喷针中心存在速度衰减,在喷嘴出口以及喷针针尖区域存在低压区。气相主要分布在喷嘴的出口位置,在开度为20%与80%条件下,气相呈对称分布于喷嘴出口圆环面,但并未全覆盖,气化区域与前段导流体区域位置相对应,开度为40%与60%条件下气相呈圆环面均匀覆盖于喷嘴出口。不同喷针开度下最大气相生成率及气体沿轴向的分布随开度的增大先增加后减小,40%开度下水蒸气含量最多,此时空化范围最大。