Darrieus水轮机对于超低水头水能利用研究

本文研究了Darrieus水轮发电机应用于超低水头的水能利用。本文中作者简要匾颐了其在Darrieus水轮机方面的研究。首先，Darrieus水轮机以其构造简单的优点来说明其工作原理。然后，通过Darrieus水轮机高性能设计的指导原则对叶片在均匀流场中旋转和直线运动之间的流体动力学差异作了澄清。文中也对空化问题进行了描述。接着，讨论了包括进水口、转轮截面以及尾水管的管道式（duct-casing）效应，并且给出了设置进口喷管后的简化Darrieus水轮机构造。最后，在实际应用中，当流速出现短时或者季节性变化时，建议通过降低进口喷管高度未调整进口喷管的方案。

混流式水轮机流固耦合案例研究

近十年，Grimsel2抽水蓄能电站的混流式转轮多次出现裂纹。据估计，裂纹是由叶片载荷引起的，转轮共振导致在叶片根部区域形成高应力。本文对转轮在水中的特征频率利用声体单元进行了数值计算并与实验数据进行比较。数值部分为将流体有限元计算确定的非稳态压力分佰与叶轮有限体计算的耦合。通过有限体计算获得转轮卜的应力及转轮探动的特征模态。对于部分负荷运行工况点，进行了水轮机全流道的非定常数值计算，网格包括蜗壳、转轮和尾水管。转轮上的载荷主要来自于离心力和流体施加的载荷。与动静干涉或者尾水管不稳定流引起的压力脉动等导致的受力波动相比，这些力的效果可近似认为是固定的。在本文涉及的耦合数值计算中，对流体有限体部分计算获得的主要瞬态压力分布进行傅立叶变换，并将静态和谐波分量分配给叶片有限元模型的表面。评估叶片有限元计算的结果显示，部分负荷运行工况点，裂纹区域不会产生临界峰值应力。压力幅值较小，频率较低，并只作用于转轮叶片某些局部。由于振动频率远低于水轮机转轮的模态频率，不会产生明显共振。

运行在部分负荷下的混流式水轮机试验装置水力共振的试验识别和研究

由高幅压力脉动描述的水力系统中的共振，将引起不良和危险的后果，例如噪声、振动和结构失效。对于在部分负荷下运行的混流式水轮机，转轮出口处形成的空化涡带将引起压力脉动，这会激起水力系统的共振，导致不良的大扭矩和出力波动。在共振运行点，预测压力脉动幅值的水．声模型失效，给出的结果不再可靠。对模态更详细的了解以及对共振时出现的现象更深刻的理解，能够改善水．声模型的预测。对运行在部分负荷下的混流式水轮机缩尺模型，提出了闭环水力系统共振观察的试验识别。共振是将试验装置的固有频率之一与涡带旋进频率匹配上。基于这一点，试验装置的水-声响应的研究更加准确，并最后应用与本征激励振型的生成。

尾水管压力脉动分析的统计方法

混流式水轮机尾水管压力脉动（DTPP）是由源于不同物理现象的多种成分组成的。由于它们空间关系和传播机制的差别，压力脉动分量可以分离开来。这种分析的第一步是区分所谓的同步和异步压力脉动；只有近似周期的现象可以采用这种方式描述。然而，较为不规则的压力脉动总是会出现，当水轮机在偏离设计工况运行时，特别是很低负荷下运行时，不规则压力脉动变得非常重要。本文使用的统计方法可以将压力脉动中的随机（自由）分量从传统的“规则”分量中分离出来。本文锥中尾水管压力脉动信号采用标准中的模型试验方法。分析了单一信号与平均压力信号的差别以及单一信号之间的相干性。举例揭示出在低负荷下，一个普遍的、非周期的异步压力脉动非常重要的。

混流式转轮甩负荷过程中的自激振动

通常，混流式转轮瞬态过程，例如甩负荷，只产生很少周次的高幅振动。然而，本研究给出的情况，发现三个同系列不同尺寸的混流式转轮甩负荷过程中，在固有频率周围出现了持续的振动。前两个转轮在叶片上安装有应变片，并在转轮迷宫密封周围的底环和顶盖周向安装了位移传感器。第三个转轮只是在非转动部件上安装了位移传感器。前两个转轮的试验数据对参数影响高幅振动的出现提供了一个很好的解释，并且在对第三个转轮调试过程中，容许实施一个试验方案来规避这一现象。基于测试数据，优化导水机构关闭参数，消除了大部分运行范围内甩负荷过程中观察到的振动，并且明显降低了满负荷甩负荷时的振动。

基于现场测试和数值模拟的真机混流式转轮疲劳分析

随着太阳能和风能的快速发展，它们会向电网输出不稳定的电力，要求水电给出一个快速和灵活的补偿，这样水轮机不得不频繁地在偏离设计条件下运行。在部分负荷、低部分负荷、空载和启停机以及甩负荷过程中，真机混流式转轮承受着由高压力脉动引起的强烈振动。交变应力可能会引起转轮叶片的疲劳和损伤。因此，对真机混流式转轮进行疲劳分析和寿命评估显得越来越重要，特别是偏离设计的运行工况条件下。基于应变片现场测量和数值仿真，本文给出了真机混流式转轮的疲劳分析。在低部分负荷、空载和一些瞬态工况下，由于混流式转轮承受复杂的水力载荷，并显示有随机的特征，使用雨流计数法来获得多个动态幅值范围的循环次数。从中等负荷到满负荷，动静干涉引起的压力脉动是转轮主要的水力激振。进行强迫响应分析以计算最大动态应力。利用线性回归方法评估了数值和试验应力的一致性。考虑静态应力对S-N曲线的影响，利用Miner准则一线性疲劳损伤累计理论，来计算真机混流式转轮在多种运行工况点下的损伤因子。详细比较和讨论了不同运行工况下，转轮的相对损伤因子。

对水泵水轮机动力学特性及其在动力学设计中应用的进一步理解

抽水蓄能设备的操作者要求今天的设计不仅要提供极为优秀的水力性能，宽运行范围内流畅的操作性能，而且设计需要提供高水平的可靠性及实用性。相同环境下，对于给定机械尺寸，经济压力仍然强调高输出功率的需要。对流体激励、机械流体单元的声学响应和水泵水轮机结构动力学响应的本质的进一步理解，对于提供满足用户要求的设计是非常关键的。本文给出了近来关于抽水蓄能设备动力学特性的研究进展。从流体激励出发，本文给出和讨论了描述动静干涉（RSI）压力的方程，并揭示出描述它们动力学压力场的时变压力模态振型。本文采用创新的数据采集技术，结果显示模型与现场的测试数据验证了压力模态振型的存在和其对水泵水轮机结构的影响。讨论了动力学压力场、水泵水轮机结构以及水力系统的相互作用，阐述了引入流体以及结构单元来评估激励作用的3．D数值模拟的使用。