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轴流式水轮机顶盖强度及模态有限元分析

排灌机械工程学报 2020年第1期38卷 39-44页

作者：姚婷婷郑源河海大学能源与电气学院

对某轴流式水轮机在不同工况下的顶盖进行了单向流固耦合计算,运用ANSYS Workbench平台计算得到各工况下顶盖过流面准确的水压力分布,将其作为顶盖下面板水压力载荷加载到顶盖上,得到各工况下顶盖的静应力分布及变形情况.通过对有、无... 详细信息

对某轴流式水轮机在不同工况下的顶盖进行了单向流固耦合计算,运用ANSYS Workbench平台计算得到各工况下顶盖过流面准确的水压力分布,将其作为顶盖下面板水压力载荷加载到顶盖上,得到各工况下顶盖的静应力分布及变形情况.通过对有、无预应力下的顶盖进行模态分析,得到顶盖在2种情况下的固有频率和振型.研究结果表明:在各种工况下,顶盖的最大静应力和最大位移随着水头的增大而增大,均出现在顶盖下面板无筋板支撑处;顶盖在有预应力下的各阶固有频率相对于无预应力下的有所提高,提高幅度在0.5%以内,可以忽略预应力的影响;将顶盖的固有频率与各水力激振力频率比较,两者频率值相差较大,发生共振的可能性较小.研究结果可为轴流式水轮机强度及振动的校核与预测提供依据,并对顶盖结构优化设计提供一定的参考.

关键词：轴流式水轮机顶盖流固耦合静应力强度分析模态分析

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轴流式水轮机导流罩与叶轮尾流流场仿真研究

水动力学研究与进展（A辑） 2016年第1期31卷 90-98页

作者：陈正寿张国辉刘羽赵陈黄聪汉浙江海洋学院船舶与海洋工程学院舟山316022 浙江欧华造船股份有限公司舟山316101 太平洋海洋工程(舟山)有限公司舟山316057

文中提出一种新型轴流、悬浮式潮流能水轮机结构,为提高其潮流能利用效率,采用CFD技术对水轮机外围流线型导流罩内流场与叶轮尾流场进行数值仿真研究。通过对比拟定的10种不同线型导流罩,发现收缩段和扩散段的进出口曲线前后连接点比例m... 详细信息

文中提出一种新型轴流、悬浮式潮流能水轮机结构,为提高其潮流能利用效率,采用CFD技术对水轮机外围流线型导流罩内流场与叶轮尾流场进行数值仿真研究。通过对比拟定的10种不同线型导流罩,发现收缩段和扩散段的进出口曲线前后连接点比例mx为0.3的双三次曲线导流罩内流场更加稳定、均匀。为进一步研究导流罩的聚能作用与叶轮尾流场的速度分布情况,实施了有、无导流罩工况下水轮机的数值仿真,结果显示:距离叶轮下游边缘1.25D(D为叶片直径)以内的流场域流速有显著的改变,且加装双三次曲线0.3mx=线型导流罩,水轮机较敞水工况输出功率提高约29%。相关的拖曳水池模型试验验证了数值仿真方法的有效性。

关键词：潮流能轴流式水轮机导流罩尾流 CFD

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轴流式水轮机叶片进水边形状对其性能的影响

农业工程学报 2012年第13期28卷 94-99,I0005页

作者：赵亚萍廖伟丽李志华阮辉罗兴锜西安理工大学水利水电学院西安710048 西安热工研究院有限公司西安710032

针对轴流式水轮机叶片几何形状差异对水轮机的运行性能和运行范围产生的影响,研究了轴流式水轮机不同叶片进水边形状与水轮机性能参数之间的关系。在相同叶片安放角的情况下,对具有3种不同叶片进水边形状的轴流式模型水轮机进行数值研... 详细信息

针对轴流式水轮机叶片几何形状差异对水轮机的运行性能和运行范围产生的影响,研究了轴流式水轮机不同叶片进水边形状与水轮机性能参数之间的关系。在相同叶片安放角的情况下,对具有3种不同叶片进水边形状的轴流式模型水轮机进行数值研究。研究结果表明:在相同的叶片安放角的情况下,不同的叶片进水边形状不仅可以改变流道中从轮毂到轮缘的流量及环量分配;而且能够有效的改善叶片正背面压力分布,减小转轮内部的低压区,提高水轮机效率及空化性能;同时不同的水轮机进水边形状可以调节水轮机运行范围。研究结果可为水轮机的优化设计提供理论指导。

关键词：轴流式水轮机效率空化性能运行范围叶片进水边形状

轴流式水轮机叶片几何参数对水轮机运行范围的影响

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水力发电学报 2014年第5期33卷 192-197页

作者：赵亚萍廖伟丽阮辉李志华罗兴锜西安理工大学水利水电学院西安710048 西安热工研究院有限公司西安710032

本文采用多目标遗传算法对轴流式水轮机叶片进行优化,从优化过程中产生的众多叶片中选取四种特征明显的叶片,并进行分析和对比,以研究不同叶片几何参数(包角、叶栅稠密度、叶片空间挠度)与水轮机运行性能之间的关系。研究结果表明:叶片... 详细信息

本文采用多目标遗传算法对轴流式水轮机叶片进行优化,从优化过程中产生的众多叶片中选取四种特征明显的叶片,并进行分析和对比,以研究不同叶片几何参数(包角、叶栅稠密度、叶片空间挠度)与水轮机运行性能之间的关系。研究结果表明:叶片空间挠度越大,叶片正背面压差越大,对空化性能越是不利;翼型弦长越短,叶片受力面积和叶栅稠密减小,缩小了水轮机的运行范围,且使得高效率区向大流量,小转速的工况移动;叶栅稠密度过大,流道间的排挤增大,水轮机损失增大,高效区范围也缩小。

关键词：水力机械轴流式水轮机运行性能几何参数运行范围效率

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泥沙粒径对轴流式水轮机磨损特性的影响

排灌机械工程学报 2024年

作者：王彤李晓飞郭鹏程张健范文睿陈红吉西安理工大学水利水电学院国能大渡河检修安装有限公司

为了明确轴流式水轮机泥沙磨损特性，本文以某电站水轮机为研究对象，基于欧拉-拉格朗日多相流模型开展了固液两相流动数值研究，重点关注泥沙粒径对机组过流部件表面侵蚀率和侵蚀分布的影响。研究发现：叶片正、背面轮缘附近为泥沙磨... 详细信息

为了明确轴流式水轮机泥沙磨损特性，本文以某电站水轮机为研究对象，基于欧拉-拉格朗日多相流模型开展了固液两相流动数值研究，重点关注泥沙粒径对机组过流部件表面侵蚀率和侵蚀分布的影响。研究发现：叶片正、背面轮缘附近为泥沙磨损的高风险区。随着泥沙粒径增大，叶片正面侵蚀程度加剧，背面侵蚀程度减小，磨损区域逐渐集中在轮缘附近；颗粒受泄漏涡影响在转轮室壁面形成沿旋转方向的条状侵蚀痕迹；尾水管锥管段侵蚀率逐渐降低，不同出口流道磨损程度的差异性增大，泥沙颗粒在锥管段形成沿泄漏涡延伸方向的带状螺旋侵蚀痕迹。轴流式水轮机在运行过程中，磨损程度最大的部件是尾水管，其次为转轮和转轮室，应避免机组长时间在过小或者过大泥沙粒径条件下运行，检修时应重点关注转轮叶片和转轮室的泥沙磨损情况。研究归纳出轴流式机组运行过程中的泥沙磨损高风险区，可为水轮机各过流部件泥沙磨损的定量分析提供一定参考，有助于合理安排机组检修周期，同时为轴流式水轮机进一步优化设计提供理论基础。

关键词：轴流式水轮机泄漏涡固液两相流泥沙磨损

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轴流式水轮机转轮流固耦合计算

工程热物理学报 2008年第10期29卷 1673-1675页

作者：张宇宁刘树红吴墒锋吴玉林清华大学热能工程系清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室北京100084

在利用轴流式水轮机全流道三维非定常湍流数值计算和利用弹性力学非稳态有限元法计算轴流式水轮机转轮叶片动态的应力和应变的基础上,利用弱耦合算法完成了轴流式水轮机在有粘有旋条件下的流固耦合计算,得到了叶片的动态应力和动态应变... 详细信息

在利用轴流式水轮机全流道三维非定常湍流数值计算和利用弹性力学非稳态有限元法计算轴流式水轮机转轮叶片动态的应力和应变的基础上,利用弱耦合算法完成了轴流式水轮机在有粘有旋条件下的流固耦合计算,得到了叶片的动态应力和动态应变,并对结果进行了讨论.

关键词：轴流式水轮机流固耦合有限元

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轴流式水轮机叶片翼型参数化设计研究

轴流式水轮机叶片翼型参数化设计研究

作者：朱尧华江苏大学

学位级别：硕士

我国水力资源可开发量大,但我国水能开发的利用率与欧美发达国家相比仍有较大差距。在国家政策的大力支持下,我国水电在近年来有了突飞猛进的发展。其中,轴流式水轮机占据很大的比例,而传统轴流式水轮机的设计方法在与现代水力设计理论... 详细信息

我国水力资源可开发量大,但我国水能开发的利用率与欧美发达国家相比仍有较大差距。在国家政策的大力支持下,我国水电在近年来有了突飞猛进的发展。其中,轴流式水轮机占据很大的比例,而传统轴流式水轮机的设计方法在与现代水力设计理论及CFD计算优化相结合的过程中,仍然需要开发设计多个模型进行实验分析,必然耗费了大量的时间与金钱。而参数化设计方法能基于现有模型,更灵活地改变叶片的轮廓,并便于生成3D叶片,从而进行CFD分析,可大大节约时间和制造成本,所以,将参数化设计方法应用于转轮叶片翼型的几何造型与优化设计是非常必要的。本文提出了一种基于曲线参数化设计的轴流式水轮机2D翼型及3D叶片的建模方法,主要研究内容和创新点如下:1.系统地分析总结了现有叶片翼型的规律,初步提出了一种翼型参数化设计方法。对现有某轴流式水轮机叶片的翼型进行圆柱截面截取,得到了不同截面各个翼型的轮廓。根据翼型骨线特点,采用内切圆的方法,分析比较各截面翼型的不同参数,最终得到了参数化过程中可能需要的翼型特征变量,例如最大厚度和最大厚度所在位置等。根据常规翼型气动性能分布规律,将翼型分割成4段,用分段参数化的方法进行建模。分别应用多阶多项式对翼型的4段曲线进行拟合,得到各段的多项式阶数,综合Bezier函数拟合曲线的特点,确定参数化曲线控制点的个数和位置,再通过Matlab进行曲线的建模,最终确定了基于Bezier曲线的4段10点10参数的参数化设计翼型的方法。最后将该方法分别应用于典型对称翼型NACA 0015以及某轴流式水轮机叶片翼型GOE 430。结果表明:当该方法用于典型的对称翼型NACA 0015,相似度达到87.2%,相对误差较小;但是,当该方法应用于某轴流式水轮机叶片的非对称翼型GOE 430时,存在较大偏差,与原始翼型相似度仅为69.9%,并且这些偏差对翼型的总体性能影响较大。2.针对初步参数化设计方法的不足,提出了一种优化的翼型参数化设计方法。为了提高参数化设计方法的拟合精度,在初始参数化设计方法的基础上,在翼型尾部上下方各增加一个控制点,以提高拟合精度。并且将优化后的方法应用于先前存在较大偏差的翼型GOE 430,再应用于典型对称翼型NACA 0015。当将该方法应用于翼型GOE 430时,参数化后的翼型与原始翼型在外形几何上较为接近,相似度提高很多,达到85%以上,气动性能也得到改善。并且对优化后的参数化设计翼型进行了CFD计算和流场分析,分析了翼型上下表面的压力系数,计算对比了不同攻角下参数化设计翼型与原始翼型的升阻力系数,在零攻角情况下,参数化设计翼型性能优于原始翼型,而在-5°和5°下,参数化设计翼型与原始翼型的性能相差不大。将优化的参数化设计翼型设计方法应用于典型对称翼型NACA 0015,优化设计的参数化设计翼型在外形上与原始翼型更为相近,并且与初步参数化设计方法设计的翼型相比,外形上更加相似,达到89.6%,同时,在气动性能方面,模拟升阻力系数与原型更为接近。3.基于优化的翼型参数化设计方法,提出了一种3D叶片参数化设计方法。以翼型参数化为基础,对叶片的翼型安放角和不同截面的翼型最大厚度与最大隆起进行参数化分析,最终得到轴流式水轮机叶片的参数化建模方法。本文以某轴流式水轮机为例,对其进行参数化造型分析,首先分别以不同截面作为标准翼型,建立不同的叶片模型,再通过CFD计算确定了以半径为0.165m标准翼型的叶片与实际结果最为接近,然后分析该叶片的流场以及压力场,最终认为该参数化设计方法能较好地应用于轴流式水轮机叶片的三维设计中。

关键词：轴流式水轮机参数化 Bezier曲线叶片翼型相似度

空化对轴流式水轮机尾水管压力脉动和转轮振动的影响

同方学位论文库评论

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农业工程学报 2021年第11期37卷 40-49页

作者：朱国俊李康冯建军罗兴锜西安理工大学水利水电学院西安710048 浙江富安水力机械研究所杭州311121

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... 详细信息

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。

关键词：水力发电轴流式水轮机空化压力脉动转轮径向振动信号处理频域分析

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基于振动信号的轴流式水轮机空化状态识别

基于振动信号的轴流式水轮机空化状态识别

作者：门羿西安理工大学

学位级别：硕士

轴流式水轮机作为中低水头水能资源的主要机型,其运行中存在效率低下、磨蚀破坏严重、协联偏差大等突出问题。空化作为运行过程中影响因素较大之一,会造成叶片损坏,效率降低等。因此,本文以轴流水轮机为研究对象,研究轴流水轮机由正常... 详细信息

轴流式水轮机作为中低水头水能资源的主要机型,其运行中存在效率低下、磨蚀破坏严重、协联偏差大等突出问题。空化作为运行过程中影响因素较大之一,会造成叶片损坏,效率降低等。因此,本文以轴流水轮机为研究对象,研究轴流水轮机由正常状态到空化严重状态过程中转轮振动信号与尾水管振动信号的时频变化规律,通过提取关键特征值,对轴流式水轮机空化状态进行识别分析。本文主要研究结果如下:(1)构建了包含高速摄像和LDV及振动测试的综合测试系统,前者对转轮内部空化图像进行记录,后者对水轮机转轮室振动和尾水管上振动信号进行采集。通过对转轮与尾水管的振动信号进行时、频域分析发现随着空化程度增加,时频域特征值都体现出非线性的变化规律,不能有效地对空化状态进行识别分析;通过短时傅里叶变化发现空化严重时低频区域的频谱成分幅值提升显著;通过MUSCI分析发现空化会造成能量从高频区域向低频区域的迁移,增加了整体机组共振的风险。(2)引入MF-DFA方法对转轮与尾水管振动信号进行信号分解,结果得到针对转轮振动信号,Hurst指数体现出明显分区现象,标度指数斜率在不同空化阶段斜率值略有差异,多重分形谱中特征值α和α可以有效的对转轮空化程度进行识别;针对尾水管振动信号,Hurst指数的斜率与标度指数的线性度皆可以作为识别空化状态的有效特征值,并且多重分形谱中的Δα和Δf也可作为特征值进行判定。(3)用相关系数法对时、频域特征向量进行可靠度分析。对转轮振动信号,选择特征值峰峰值、均方根值、整流平均值和频率方差4种特征值进行组合;针对尾水管振动信号,选择重心频率、均方频率、均方根频率和整流平均值4种特征值进行组合。BP神经网络识别率与SVM识别率基本类似,但针对尾水管振动信号,BP神经网络识别率较高,因此考虑到真机试验可行性,选用BP神经网络进行识别较佳。

关键词：轴流式水轮机空化振动多重分形去趋势波动分析 BP神经网络