不同活动导叶对水泵水轮机飞逸特性的影响

以水泵水轮机活动导叶翼型为主要研究对象,选取活动导叶开度11、33、41 mm,分析不同活动导叶翼型对水泵水轮机飞逸特性的影响,为水泵水轮机活动导叶翼型的设计及优化提供方法和理论指导。结果表明:在3种导叶开度下,改进的活动导叶翼型对机组的“S”特性存在较佳的改善效果;改进导叶翼型后机组在飞逸工况运行时其内部流动状态有所改善,活动导叶-转轮区域速度流线分布均匀,涡核集中分布区域减少;改进导叶翼型后不同开度下无叶区监测点的压力脉动振幅相对值有不同程度的减小,速度脉动曲线比改进前平缓,速度峰值较小;改进导叶翼型后尾水管内涡核集中分布区域减少,机组可以在较为稳定的状态下运行。

采用熵产理论的离心泵断电过渡过程特性

该文对商业软件ANSYS CFX进行二次开发,通过自定义函数求解角动量方程获取实时转速,建立了模拟离心泵事故断电过渡过程的三维瞬态数值计算方法,获得了离心泵外特性参数瞬变规律以及内部流场的动态特性。进一步采用熵产理论获得了离心泵事故断电停机飞逸过程中过流部件流场能量损失分布情况,并对流场内随时间变化的能量损失进行定量评估。结果表明:在整个事故断电飞逸过程中,熵产与离心泵外特性之间存在着明显的相关性,能量损失的产生与流场内部的流动分离、回流、漩涡等不良流动现象相关;叶轮、导叶与引水管的主要损失均是由湍流耗散引起的,其壁面熵产占总熵产的10%~15%左右,不可以忽略,而蜗壳区的损失则主要是由近壁面处的强壁面效应引起的;通过分析各部件流场局部熵产率分布随时间的变化情况,可以得出在制动工况中内流场的高损失区域最大。

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。

基于双向流固耦合的贯流式水轮机动力特性分析

为了深入研究流固耦合作用对贯流式水轮机转轮动力特性及内部流场的影响,文中采用商业软件CFX和ANSYS APDL对贯流式水轮机流体域和固体域进行耦合求解,分析了耦合作用对结构应力及应变的影响,并将耦合数值计算得到的转轮外特性与实测值进行了对比。结果表明:考虑耦合作用后,转轮的效率、水头与耦合前相比都有不同程度的下降,最大值分别为0.6%、0.21 m。同时在靠近叶片出水边轮缘附近,耦合后压力面与吸力面压力差有所下降,说明耦合作用会降低转轮的水力性能。2种耦合计算方法求解得到的叶片的等效应力分布基本一致,应力集中都出现在转轮叶片与枢轴法兰联接处,同时双向耦合下最大等效应力的主频与单向耦合相比有明显下降的趋势,由于双向耦合考虑了结构在运动过程中周围水体与结构的相互影响。该研究为实际工程中准确地进行转轮的水力性能预估和叶片结构在水中瞬态响应计算提供了参考。

基于样本熵的高水头混流式水轮机稳定性分析

机组的压力脉动是表征水轮机稳定性的主要参数之一,但仅基于压力脉动幅值判定水轮机的稳定性存在一定的局限性。采用多通道压力脉动同步采集系统同步采集某高水头混流式水轮机部分负荷下多部位压力脉动数据,然后综合互相关分析和互补集合经验模态分解(CEEMD)方法提取各压力脉动信号的主分量,对各压力脉动信号的主分量数据进行样本熵计算,获得不同测点在运行范围内的样本熵分布规律。结果表明:在部分负荷下,尾水管内部的空腔涡带仍然是影响高水头混流式水轮机稳定性的主要因素;可根据水轮机各部位压力脉动信号主分量的频率信息推断水轮机内部水力不稳定源的类型;关键测点处压力脉动幅值分布规律与样本熵分布规律的对比表明,压力脉动信号主分量的样本熵变化趋势能够反映水轮机内部流动状态的变化趋势。

后置导叶对潮汐双向贯流式机组性能的影响

潮汐双向贯流式水轮机与常规贯流式水轮机的重要区别在于其需要兼顾正向和反向来流工况。为了均衡提升双向贯流式水轮机正反向运行条件下的性能,针对某潮汐双向贯流式水轮机,本文采用商业软件ANSYS CFX,研究了不同后置导叶位置和数量对双向贯流式水轮机性能及内部流动特性的影响。对比结果可知,后置导叶位置和后置导叶数量对机组反向发电时的性能影响较大,后置导叶安放位置系数为0.5和后置导叶数量为8时,机组总体性能较好。随着后置导叶数量增加,正向工况时尾水管水力损失减小,后置导叶通道水力损失反而增大;反向工况时转轮水力损失不断减小,转轮效率逐渐增大。研究成果为潮汐双向贯流式水轮机关键过流部件的优化设计提供技术参考。

含气率对小流量下混流式混输泵轴系振动的影响

振动是反映混输泵运行稳定性的关键指标,液体含气率对混输泵的振动强度有重要影响。为探究小流量工况下含气率变化对混输泵轴系振动的影响规律,该研究以某3级混流式气液混输泵为研究对象,采用建立的多通道振动测试系统采集小流量工况下混输泵输送不同含气率的水时主轴和轴承座的振动信号,然后分析水中含气率对主轴和轴承座振动特性的影响规律。结果表明:针对该研究的混流式混输泵,主轴径向振动幅值随含气率的增加呈现明显的非线性变化规律,含气率增加导致的主轴径向振动增幅可达纯水工况下的3.2倍;含气率的增加主要影响轴承座的轴向振动而径向振动受影响较小,不同含气率下轴承座的轴向振动幅值均高于径向振动;在8%~14%含气率范围内,混输泵内部出现气液两相流型过渡转换,从而导致主轴振动特性变化;含气率的增加对叶轮出口与导叶进口间的动静干涉作用具有一定的强化效应;0~20%含气率范围内,主轴径向振动的概率密度极值随着含气率的增加而降低,当含气率超过20%以后,主轴径向振动的概率密度极值随着含气率的增加而提高,两者趋势相反,该结论可为混流式混输泵内含气率的判定提供依据。

混流式水轮机功率异常波动成因分析

石门坎水电站混流式水轮机组在部分负荷下运行时,机组有功功率波动过大导致该电站无法并网发电。采用SST湍流模型对该电站水轮机在偏工况下的三维不稳定流动进行了仿真计算,重点分析了尾水内部压力脉动特性,研究发现:尾水管空腔涡带振动频率与发电机自振频率发生共振是引起机组有功功率摆动过大的主要原因。

水泵水轮机全流道“S”特性区数值分析

抽水蓄能电站在水电中扮演着极其重要的角色,其机组水泵水轮机的"S"特性区流动情况是研究的重点。以自主研发的某水泵水轮机为研究对象,根据模型试验结果的"S"特性曲线,选取其中小导叶开度的"S"特性曲线,结合SST k-w湍流模型,运用ANSYS-CFX软件对曲线上部分工况点进行了数值分析。数值分析工况包括水轮机工况、飞逸工况、制动工况和反水泵工况,通过计算得到了单位流量和单位转速的关系曲线,所得曲线与模型试验曲线较为吻合。计算结果表明:在制动工况和反水泵工况时,固定导叶、活动导叶和转轮区域内均存在较多的旋涡性回流,为较为不稳定的工况。转轮区域内流动速度极低,叶片中间位置有无规则性回流,相邻的两个叶片头部之间形成横向流动的水环,水环在离心力的作用下阻挡水流进入流道,从而大大减小了转轮的过流能力,这可能是导致水泵水轮机在制动工况下单位转速降低的重要原因。

重力场对贯流式水轮机性能的影响预测

以湖南长沙综合枢纽工程水电站灯泡贯流式水轮机为研究对象建立了几何模型,采用SST k-ω湍流模型对全流道进行了数值模拟。通过对加入重力场前后的计算结果进行对比,分析了重力场对预估灯泡贯流式水轮机性能的影响。分析结果表明:当计算目标为效率、出力等水轮机的外特性时,可以忽略重力场造成的影响;当计算目的是为了预测水轮机的空化性能及结构的计算时,则需要考虑重力场产生的影响。

大攻角下翼型间隙泄漏涡特性研究

叶片与转轮室壁面之间的间隙在很多轴流式旋转机械中都存在,间隙泄漏涡(TLV)及引发的空化现象会导致旋转机械效率降低和机械振动等不良现象,影响到机组的运行稳定性。该文通过数值模拟的方法,选择NACA0009单个翼型,研究12°大攻角条件下不同间隙宽度对间隙泄漏流与泄漏涡形态的影响,并采用实验结果对数值仿真得到的翼型尾部流场进行了验证。数值计算结果表明,改变间隙宽度除影响到泄漏涡的轨迹外,对间隙附近的涡量、速度和泄漏涡的形态等方面都会产生影响;相比于大间隙,小间隙时的泄漏涡沿翼型的发展更复杂和不稳定。此外,通过流场分析阐明了泄漏涡轨迹及涡核附近速度变化的原因。该研究可为偏工况下轴流式旋转机械叶顶间隙泄漏流特性的研究提供参考。