混流式水轮机尾水管涡带及压力脉动数值模拟

应用ANSYS等相关软件对混流式水轮机进行全流道非定常数值模拟,分析了在偏工况下低流量的3种随开度不断变化的工况,模拟由部分负荷区到高部分负荷区的尾水管涡带及压力脉动的变化情况。应用CFD数值模拟,观察到尾水管随导叶不同开度变化时,尾水管涡带由双螺旋涡带到单螺旋涡带至柱状涡带的变化过程,并分析了相应工况之间的压力脉动频率及脉动幅值的变化规律。这对尾水管压力脉动产生机理的深入研究有着十分重要的意义。     

基于熵产理论的水轮机尾水管涡带研究

为了研究水泵水轮机部分负荷工况尾水管涡带产生的原因和压力脉动特性,本文以模型水泵水轮机为研究对象,对内部流动进行了全流道三维数值模拟并采用熵产理论进行了分析。计算结果分析表明:数值模拟与实验值吻合较好;固定导叶和蜗壳内的总熵产很小,而转轮和尾水管内较大,在小流量工况叶片压力面产生的流动分离会导致高熵产率分布区域的出现,并且会随着流量的进一步减小而扩大;在部分负荷出现了粗壮型和纤细形两种涡带,均呈现螺旋形,涡带的形成与叶片出口环量偏离零环量有很大关系;涡带的出现会在尾水管内形成漩涡,阻塞尾水管通道,涡带跟随转轮同方向旋转,但是转速更低,因此尾水管出现幅值较大的低频压力脉动。     

小流量工况尾水管补气对混流式水轮机出力的影响

混流式水轮机在小流量工况下其转轮出口水流会产生涡旋运动，此时向转轮出口或尾水管补气时可以减轻水轮机的水力振动，但补气对水轮机出力的影响过去没有给予足够的重视，现经理论研究和模型试验，证明在小流量工况下给尾水管补气有利于增加水轮机的出力。     

混流式水轮机转轮叶片流道中的汽蚀和涡带

对于水头和负荷变化比较大的水轮发电机组来说，运行的稳定性和可靠性是值得考虑的。在这些运行工况下，转轮处水流的循环运动以集中涡流的形式出现。本论文分析了这种现象的物理原因及其对转轮叶片上动压和汽蚀的影响。这些信息对购买水轮机一定有用，针对叶片之间的涡流，招标文件中通常包括相关的要求，但是，这些要求通常与这种现象的物理性质不一致。     

关于水轮机尾水管涡带压力脉动的允许值

水轮发电机组部分负荷时，尾水管压力脉动是反映水轮机水力稳定性的重要指标．这种压力脉动的允许值方案，也说明了用△H／H判断原型水轮机的振动稳定性的局限性和不确定性，还提出了在进行模型水轮机验收试验及利用本方案进行稳定性评价时需注意的问题．     

高水头混流式水轮机减负荷瞬态流动特性研究

为了平衡和补偿间歇性可再生能源不定时并网对电网的不利冲击,水轮机不得不频繁地经历减负荷瞬态工况转换过程,从而诱发水轮机内部不稳定的压力脉动及涡流结构。基于多面体网格及动网格技术,开展了高水头混流式水轮机导叶关闭减负荷过程水轮机特征参数响应、压力脉动及涡流演化特性的数值模拟工作。研究发现,采用压力边界条件获得的水轮机水头与试验结果吻合较好,流量结果可信度高。负荷变化过程中,无叶区压力脉动相对变化趋势与导叶运动规律一致,且幅值变化不大。导叶开始及停止运动,引起尾水管内的压力信号发生突变,并逐渐形成低频周期性压力脉动。涡带运动诱发的不稳定压力脉动,是转轮轴向水推力形成的主要原因。在导叶闭合过程中,强度较小的轴对称涡带首先沿轴向和径向拉伸,随后沿轴向收缩。导叶停止运动进入部分负荷工况,直涡结构进一步收缩,演变为细长状双螺旋结构,最后双螺旋涡结构合并成强度较高的单一螺旋状涡带。此外,水轮机负荷的减小使尾水管内出现回流,漩涡运动等不稳定现象。     

三维非定常湍流尾水管涡带数值模拟

采用全流道三维非定常流动数值模拟方法,研究了混流式水轮机在部分负荷工况运行时,尾水管涡带在尾水管内引起的压力脉动现象。计算工况为典型的部分负荷工况,单位转速为70.52r/min, 单位流量为0.679m3/s。计算结果表明在4个计算点都得到了涡带低频压力脉动：频率为0.333Hz, 是转频1.25Hz的1/3.75,相近工况（n11=71.25r/min,Q11=0.689m3/s）模型试验测得涡带频率为5.31Hz, 是转频18.62Hz的1/3.51,从涡带频率看计算结果与试验测量结果一致。研究成果表明数值模拟方法是可行的,可以在设计阶段预测尾水管内涡带压力脉动的特性。     

混流式水轮机叶道涡的减轻与消除方法

根据混流式水轮机转轮内叶道涡现有研究资料,介绍了叶道涡的产生原理、分类及危害,重点阐述了补气、转轮叶片修型、活动导叶修型及转轮更换等几种减轻消除叶道涡的方法,为发生叶道涡引起的水轮机事故的水电站提供了参考及借鉴。     

偏工况下混流式水轮机压力脉动数值仿真及其改善措施研究

某电站混流式水轮机组在部分负荷时机组出力大幅摆动,真机试验结果显示尾水管涡带频率与发电机低频振荡频率接近,二者产生共振导致功率波动。本文采用CFD方法对该电站混流式水轮机进行了三维非定常数值模拟,对包括电站现用泄水锥、加长型泄水锥、在尾水管内安装阻尼栅、在尾水管内安装导流板等4种方案下水轮机内部非定常流动进行了仿真,对比分析了各种方案对尾水管内涡带形状和压力脉动的影响。计算结果表明:加长泄水锥能降低压力脉动的幅值,但不能改变压力脉动频率;相比于阻尼栅,在尾水管中安装导流板能更有效地改变尾水管水压力脉动的主频并减小压力脉动的幅值,且对水轮机效率的影响较小。     

混流式水轮机高水头大负荷区域振动的分析

文章结合岩滩电站水轮机强振的实际情况，进行了原因分析，提出发生空化自激放大脉动压力极值时“临界空振系数”的新观念，并提出消除强振技术改造的建议。     

尾水管导流栅的减振性能分析

针对尾水涡带的偏心运动对涡带压力脉动形成的影响,通过理论分析,推导了压力脉动力与涡带偏心距之间的关系表达式,同时对某实际模型在安装导流栅前后分别进行了全流道的三维湍流数值模拟,综合比较理论与模拟数据。结果表明,通过安装导流栅能起到限制涡带偏心运动的作用,从而达到降低压力脉动的效果。     

混流式水轮机尾水管流场数学模型建立及分析

以HLA855A-LJ-250型号水轮机为研究对象,针对最大水头、最小水头和额定水头3种不同工况进行全流道三维非定常数值模拟,着重分析尾水管内部流场分布规律,提取尾水管入口到出口的完整流线,并建立相应的数学模型。结果表明:额定工况下尾水管内部湍流动能和湍流粘度分布稳定,变化梯度小,内部流动最稳定,建立的数学模型拟合效果最好;最大水头工况下尾水管内部流场受空腔涡带的影响严重,在直锥段湍流动能变化梯度大,湍流粘度数值较高,容易造成尾水管内部流动不稳定,该工况下质点坐标分布波动较大,建立的数学模型较复杂;最小水头工况下尾水管内部流场变化趋势接近额定工况,该工况下建立的数学模型有较好拟合度。采用的研究方法为分析水轮机内部流场提供了新思路,有一定的借鉴意义。     

某低水头混流式水轮机叶道涡特性数值分析

采用数值模拟手段,研究低水头混流式水轮机叶道涡的水力特性,依托某低水头混流式水轮机模型转轮试验结果和数值计算结果,选取三个单位转速下出现叶道涡的工况,基于N-S方程及SST湍流模型对水轮机进行单流道、全流道、定常和非定常流动数值模拟,分析叶道涡复杂流动的水力特性和压力脉动。结果表明,在叶道涡初生工况,叶片上冠正背面均有部分脱流现象,随着水流在叶片内部运动,转轮出口处,靠近上冠区域有较明显的脱流漩涡和失速区,这部分区域也是叶道涡产生的集中区域。分析转轮内部各个监测点的压力脉动数据,发现转轮内部各个测点会出现有规律的1倍转频的低频脉动和24倍高频脉动,1倍低频脉动与转轮自身转速有关,24倍高频脉动与活动导叶数量有关,是动静干涉影响的结果。测点位置的流态越差,该测点的压力脉动幅值会越高。     

基于短时傅里叶变换的水轮机涡带工况识别

在对水轮机运行区划分过程中存在着涡带负荷区识别问题,为此开展了专项研究。针对水轮机从空载至满负荷连续升负荷过程中的水导摆度信号,采用高斯窗口函数进行加窗傅里叶变换分析。分析结果表明,采用加窗傅里叶变换这一手段可以精确确定涡带运行区的运行范围,同时根据升负荷过程中主频涡带频率成分出现的先后顺序,将涡带负荷区划分为涡带生成区、强涡带区和涡带消亡区,并对不同区域内涡带影响下的轴心轨迹特点进行了分析。对分析背景、分析方法以及实例分析过程作了比较详细的介绍。     

基于模糊理论的混流式水轮机故障诊断方法

针对传统的混流式水轮机故障诊断方法费时费力的实际情况,建立了基于模糊理论的混流式水轮机故障诊断专家系统,该系统结合混流式水轮机的实际运行工况、专家经验等,构建混流式水轮机故障诊断知识库,对水轮机故障征兆的原因进行诊断,从而可以准确而迅速地找出故障原因.故障诊断实例结果和现场诊断基本一致,表明了模糊理论在混流式水轮机故障诊断中应用的可行性.     

杰龙水电站水轮机尾水锥管空蚀分析

西藏岗巴县杰龙水电站是该县惟一的一座水力发电站，它承担该县城区全部电力供应。县城人口大约5000人左右，自然条件较差，平均海拔高度在4200m以上，是国家级贫困县之一。电力消耗以居民及农牧民的生活用电为主，在夜间18：00到23：00用电负荷较大。该电站是集发电与供配电一体的电站，属孤立电网运行；装有2台HL200-WJ-60水轮机，     

混流式水轮机停机时瞬态尾水管流场与压力脉动的数值分析

为了研究汽轮机停机引起的压力波动和流场不稳定性,本文基于k-ε湍流模型开展了额定工况下混流式水轮机停机过程中瞬态尾水管流场的数值研究,分析研究了水轮机流域内部的压力波动和非定常流动不稳定性的原因。研究表明：水轮机停机过程中的压力波动分为3个阶段,第一阶段仍存有较高瞬时压力波动,整体压力均值持续减小;第二阶段压力振幅在稳步下降、整体压力回升;第三阶段压力稳定并且不再波动,尾水管中小尺度涡结构增加且不断溃灭坍塌,最后消失达到稳定流动;通过尾水管内速度场的变化,对停机期间涡结构的形成和变化作出了深入的解释,有助于了解和预防水轮机停机过程所导致的破坏性后果。     

关于减小混流式水轮机压力脉动的探讨

运行中的水电站由于受电力系统负荷变化的影响,机组出力都在发生着变化,总是偏离最优工况运行。这就使水轮机过流部件尾水管进口处产生压力脉动,给机组稳定运行带来不利影响。特别是机组在非设计工况运行时,压力脉动更大,常常使机组振动加剧,使之无法正常工作。因此,运行中的机组应该避免在非设计工况下运行。为减小压力脉动,作者提出了在尾水锥管段设置格栅的新型结构的设想,认为根据文山马鹿塘电站的特点可进行这方面的试验研究。     

水轮机水力稳定性及尾水管设计的评价与分析

HL150型水轮机尾水管的频繁破坏,严重威胁着电厂的安全经济运行。本文以水轮机模型试验和原型水轮机在天生桥二级(坝索)水电站的运行监测数据为基础,对HL150型水轮机的水力稳定性进行了评价,进而分析了尾水管金属里衬的破坏原因,阐述了尾水管机构设计的合理性。     

基于ADINA的混流式水轮机流固耦合分析

以连续方程、动量方程、Reynolds应力方程和RANG湍流k-ε模型为控制方程,采用流固耦合理论追踪耦合界面,建立了混流式水轮机数值模型。通过ADINA软件平台,采用流固耦合模块,实现了转轮叶片与内部流场耦合的模拟,得到了转轮结构的应力应变、流场的压力、流速和k-ε分布。