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水泵水轮机叶道涡的串级及耗散特性分析

水力发电学报 2018年第6期37卷 1-7页

作者：胡秀成张立翔张洪明昆明理工大学建筑工程学院昆明650500

采用大涡模拟方法,对某水泵水轮机模型额定工况进行了全流道三维非定常湍流涡结构的串级特性分析,得到了涡结构在叶道中的串级分布特性,捕捉到了叶道涡的时空演化,探寻了不同尺度涡的存活率及串级形成的能量耗散通道。结果表明:即便在... 详细信息

采用大涡模拟方法,对某水泵水轮机模型额定工况进行了全流道三维非定常湍流涡结构的串级特性分析,得到了涡结构在叶道中的串级分布特性,捕捉到了叶道涡的时空演化,探寻了不同尺度涡的存活率及串级形成的能量耗散通道。结果表明:即便在额定水轮机工况运行时,由于存在微小进口冲角,在叶片背面靠近上冠的区域形成的小量脱流,也将会演化形成叶道涡。叶道中"大尺度"涡的存活率相对较低,而"小尺度"涡的存活率则很高,相邻尺度涡量增大倍数在1.2~1.6之间。在叶道的一定区域内,叶道涡在串级过程中会逐步汇聚,相互干扰,涡湍黏性随之快速增加,导致湍动能沿叶道剧增,形成能量耗散的通道。

关键词：水泵水轮机大涡模拟叶道涡串级特性能量耗散

高比转速混流式水轮机叶道涡工况下转轮的动力特性分析

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水力发电学报 2015年第11期34卷 25-31页

作者：阮辉廖伟丽宫海鹏赵亚萍罗兴锜西安理工大学水利水电学院西安710048

为了探讨叶道涡对混流式转轮叶片的作用机理,以某高比转速混流式水轮机为研究对象,选取出现严重叶道涡的小流量工况点开展转轮的瞬态动应力数值模拟。首先基于Navier-Stokes方程和RNG k-ε湍流模型进行了全流道定常和非定常流动计算,得... 详细信息

为了探讨叶道涡对混流式转轮叶片的作用机理,以某高比转速混流式水轮机为研究对象,选取出现严重叶道涡的小流量工况点开展转轮的瞬态动应力数值模拟。首先基于Navier-Stokes方程和RNG k-ε湍流模型进行了全流道定常和非定常流动计算,得出了转轮内部叶道涡的形态及分布,与实际观测现象非常吻合;然后采用有限元方法对转轮进行了模态分析,获得了转轮在水中的固有频率及振型;最后采用流固耦合方法对转轮进行瞬态动力学分析。研究结果表明:叶片危险部位的动应力的频率为转轮频率的倍频,分布于转轮叶片出口靠近上冠处的局部叶道涡对转轮的作用强度最大,导致叶片出口与上冠连接处的最大动应力值高于一般水轮机转轮的许用应力值,引起转轮该位置发生破坏甚至产生裂纹。

关键词：混流式水轮机小流量工况叶道涡瞬态动应力分析

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混流式水轮机叶道涡形成分析及抑制研究

水力发电学报 2020年第12期39卷 113-120页

作者：王钊宁孙龙刚郭鹏程王秀玲西安理工大学西北旱区生态水利国家重点实验室西安710048 东方电气集团东方电机有限公司四川德阳618000 清洁能源与生态水利工程研究中心西安710048

可再生能源的大力发展要求水电机组更加频繁地运行在部分负荷,以平衡电网参数,导致部分负荷下的叶道涡特性成为水轮机水力设计及优化的一个重要考核指标。本文基于理论分析和水轮机模型试验,分析了混流式水轮机叶道涡的形成原因,并提出... 详细信息

可再生能源的大力发展要求水电机组更加频繁地运行在部分负荷,以平衡电网参数,导致部分负荷下的叶道涡特性成为水轮机水力设计及优化的一个重要考核指标。本文基于理论分析和水轮机模型试验,分析了混流式水轮机叶道涡的形成原因,并提出抑制叶道涡初生和发展的有效措施。研究表明,水轮机转轮不能适应流量较大范围的变化而导致转轮内稳定连续的压力梯度被打破可能是影响叶道涡形成的因素之一。通过压缩转轮流道,采用仿生流线型设计及控制叶片扭曲程度对转轮进行改型,能够有效抑制和推迟叶道涡的初生及发展,为进一步扩大水轮机的稳定运行范围提供参考。

关键词：混流式水轮机叶道涡形成分析改型抑制

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叶道涡危害及机理研究

中国水利水电科学研究院学报(中英文) 2023年第5期21卷 466-475页

作者：徐洪泉王万鹏廖翠林赵立策张驰也中国水利水电科学研究院北京100038

为弄清混流式水轮机叶道涡是否引起压力脉动及危害、危害机理和程度,本文在模型观测试验的基础上结合电站实际进行了深入研究。本文首先介绍了叶道涡模型试验的方法及结果,结合压力脉动频谱分析及尾水管空化观测结果,指出叶道涡工况出... 详细信息

为弄清混流式水轮机叶道涡是否引起压力脉动及危害、危害机理和程度,本文在模型观测试验的基础上结合电站实际进行了深入研究。本文首先介绍了叶道涡模型试验的方法及结果,结合压力脉动频谱分析及尾水管空化观测结果,指出叶道涡工况出现的频率接近转速频率的压力脉动由叶道涡引起,其频率随单位流量增加而增高,随单位转速增加而降低。叶道涡空腔随水流进入尾水管后,以转轮出口环向流速旋转,空化空腔在转轮叶片出口压力场扰动下产生收缩-膨胀甚至溃灭-生成的循环,衍生出新生压力脉动。叶道涡多发生于低单位转速的低负荷工况及高单位转速的大负荷工况,和水电站实际发生的类转频压力脉动非常一致,其频率覆盖范围也基本重叠,因此可推断类转频压力脉动由叶道涡压力脉动引起。研究还发现,三峡等大型水电站发生过该类型小负荷、类转频强烈压力脉动,由叶道涡引起;天生桥一级、二滩、李家峡等电站发生的转轮叶片出水边裂纹、尾水管锥管进口撕裂等破坏同样由叶道涡压力脉动危害造成。

关键词：混流式水轮机叶道涡小负荷类转频压力脉动叶片裂纹

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叶道涡产生机理及对水轮机稳定性的影响

大电机技术 2007年第3期 42-46页

作者：陈金霞李国伟刘胜柱吕桂萍哈尔滨大电机研究所黑龙江哈尔滨150040 白山发电厂吉林桦甸132400

本文采用数值模拟和试验研究的方法,探讨水轮机转轮叶片间叶道涡产生的机理;通过强度计算,分析叶道涡区域叶片静应力和频率的变化,分析了叶道涡对水轮机运行稳定性的影响。

关键词：水轮机稳定性叶道涡

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叶道涡引起混流式水轮机振动的分析研究

叶道涡引起混流式水轮机振动的分析研究

作者：卢磊西华大学

学位级别：硕士

叶道涡是混流式水轮机偏离最优工况后产生的一种空化现象,是除尾水管涡带和卡门涡列外,又一种可引起水轮机振动的水力不稳定因素。当混流式水轮机偏离最优工况时,水流在转轮叶片上冠进口边后产生脱流漩涡,形成叶道涡。叶道涡发展到一定... 详细信息

叶道涡是混流式水轮机偏离最优工况后产生的一种空化现象,是除尾水管涡带和卡门涡列外,又一种可引起水轮机振动的水力不稳定因素。当混流式水轮机偏离最优工况时,水流在转轮叶片上冠进口边后产生脱流漩涡,形成叶道涡。叶道涡发展到一定程度时会引起水轮机的水力振动。当振动超过允许值,尤其是长期处于振动状态,甚至与水轮机零部件产生共振时,会严重威胁到水电站机电设备的安全稳定运行。水轮机转轮是把水能转化为旋转机械能的装置,是水轮机的核心部件。水流从蜗壳及固定导叶流出,绕流活动导叶、转轮叶片,并在转轮流道内形成复杂的流态变化,产生作用力矩,实现能量转换。由水流对转轮的作用原理可知,转轮进口处水流速度的大小和方向对转轮内部流场的变化有着重要影响。本文针对西南某水电站混流式水轮机在高于额定水头满负荷下产生水力振动的情况,进行了以下研究:(1)叶道涡为振动产生的原因的论证:运用特性曲线分析法,根据电站运行资料及现场试验数据,选取部分振动工况点标注在运转特性曲线图上,得到振动工况点均位于特性曲线上的叶道涡区域中;运用ANSYS软件,对振动工况和正常运行工况下的转轮流道间流体的流动情况进行了CFD数值模拟对比分析,结果表明振动工况下转轮叶片间存在明显的叶道涡流,正常运行工况下涡流较少。本部分的研究工作论证了该电站水轮机振动是由叶道涡引起的,且该叶道涡为产生于叶片背面后的高水头叶道涡。(2)叶道涡减轻研究:以水轮机出力20.619 MW、净水头62.59 m下的工况为例,选取修改转轮叶片头部型线的方案进行叶道涡减轻研究。基于转轮进口速度三角形分析法,对叶片头部进行了两次切割,调整叶片进口边位置,减小了叶片进口水流冲角。对研究工况下叶片头部改型前后的流场进行了CFD数值模拟,并在叶片背面后设置监测点,通过对流线图、云图及监测点处的压力、速度、湍流动能值的分析比较,可得该方案改善了转轮叶片背面后的脱流漩涡,减少或局部消除了叶道涡。通过以上研究工作,系统地论证了叶道涡是该电站水轮机产生振动的根源,且叶片头部改型的方法是可以减轻叶道涡的。该研究对解决水电站水轮机振动问题具有一定的参考价值,也对西南该电站水轮机叶道涡的减轻进行了有效的探索,提供了一种研究方法。

关键词：混流式水轮机振动叶道涡叶片改型监测点 CFD数值模拟

混流式水轮机叶道涡工况下转轮的流动特性分析

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水电能源科学 2017年第7期35卷 172-175页

作者：张兴张文明廖姣西华大学能源与动力工程学院四川成都610039

为了探究叶道涡工况下混流式水轮机转轮的流动特性,以某长短叶片混流式水轮机为例,选取出现叶道涡的小流量工况,基于N-S方程及RNG_(κ-ε)湍流模型对水轮机进行全流道定常和非定常流动数值模拟,分析叶道涡复杂流动对转轮内部流动的影响... 详细信息

为了探究叶道涡工况下混流式水轮机转轮的流动特性,以某长短叶片混流式水轮机为例,选取出现叶道涡的小流量工况,基于N-S方程及RNG_(κ-ε)湍流模型对水轮机进行全流道定常和非定常流动数值模拟,分析叶道涡复杂流动对转轮内部流动的影响。结果表明,在叶道涡工况下,由于导叶出流角的减小,导致转轮叶片头部与来流发生撞击,使流道中的湍流、漩涡现象发展更加剧烈,加强了叶片压力的不均匀分布;容易产生裂纹的叶片危险部位的压力脉动频率等于转轮频率与叶片数的乘积;分布于转轮叶片靠近上冠处的叶道涡对转轮的流动影响较大,导致此处的压力脉动的频率高、振幅大,因此易产生局部的高频应力,致使转轮在该位置产生周期性的疲劳破坏。

关键词：混流式水轮机叶道涡小开度工况湍流特性

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混流式水轮机转轮区叶道涡压力脉动数值研究

大电机技术 2009年第6期 35-38页

作者：张鹏远祝宝山张乐福清华大学热能工程系水沙科学与水利水电工程国家重点实验室北京100084 哈尔滨大电机研究所哈尔滨150040

混流式水轮机在偏离最优工况区运行时,不但在尾水管中有明显的旋转涡带,在转轮区也会有涡束沿着叶片流出,我们称之为叶道涡。随着大型混流式水轮机的广泛应用,叶道涡有可能对机组的稳定运行产生影响。本文利用数值模拟技术对某混流式模... 详细信息

混流式水轮机在偏离最优工况区运行时,不但在尾水管中有明显的旋转涡带,在转轮区也会有涡束沿着叶片流出,我们称之为叶道涡。随着大型混流式水轮机的广泛应用,叶道涡有可能对机组的稳定运行产生影响。本文利用数值模拟技术对某混流式模型水轮机转轮内压力脉动进行研究。研究表明:转轮区的压力脉动主要是由叶道涡诱发的,叶道涡的频率基本等于转动频率。

关键词：混流式水轮机叶道涡数值模拟压力脉动

混流式水轮机叶道涡工况下转轮叶片表面空化研究

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水电能源科学 2022年第5期40卷 164-168页

作者：岳林林段然何严希刘颉许颜贺袁晓辉华中科技大学土木与水利工程学院湖北武汉430074

为研究混流式水轮机叶道涡工况下叶片表面空化现象,选取了6个典型工况开展机组全流道仿真模拟。首先分析了转轮域流线分布、不同叶高处的速度分布,表明叶道涡工况下转轮叶道内水流连续稳定的速度分布被破坏;通过叶片表面压力分布和空泡... 详细信息

为研究混流式水轮机叶道涡工况下叶片表面空化现象,选取了6个典型工况开展机组全流道仿真模拟。首先分析了转轮域流线分布、不同叶高处的速度分布,表明叶道涡工况下转轮叶道内水流连续稳定的速度分布被破坏;通过叶片表面压力分布和空泡体积分布,发现叶道涡将加剧叶片压力面的压力梯度变化,导致叶片近出水边区域压力面和吸力面的压力差加大,造成叶片压力面出水边与泄水锥连接处发生空化现象;最后选取叶道内水体的体均湍动能、湍动能总量和湍动能最大值作为叶道涡密度、广度和强度特征,探究了水头和功率变化对叶道涡产生的影响,结果表明功率变化对叶道涡密度和广度方面的影响大于水头,而水头影响作用更多地体现在叶道涡强度变化上,且随着叶道涡密度、广度和强度增大,叶片表面空化面积将进一步扩大。

关键词：混流式水轮机转轮叶片叶道涡空化现象水头功率