水泵水轮机在泵工况的导叶水力矩特性

针对水泵水轮机泵工况的导叶水力矩试验中,各被测导叶的水力矩因数并非完全轴对称,本文运用CFD(Computational Fluid Dynamics)数值模拟方法,使用SSTκ-ω湍流模型进行数值计算,分析导叶、转轮区域内部流场,探究导叶水力矩特性及其与内流流态的关联。结果表明:力矩因数值的数值模拟结果和试验结果吻合较好,由试验结果可知各开度下水泵工况的力矩因数值呈现抛物线型规律。导叶开度小于43.0%时,流体绕流导叶产生大量旋涡;且开度越小,涡的强度越大,流动越紊乱;开度在51.2%至67.6%范围内,转轮和导水机构流道内流动平稳。小于43.0%开度时,各导叶的水力矩因数均匀性较差,随着导叶开度减小,水力矩因数和静压值的周期性变差,幅值增大,压力脉动和水力矩脉动均明显增强。     

进口热斑径向作用位置对无导叶对转涡轮低压级温度场的影响

为了探究无导叶对转涡轮进口热斑径向作用位置的变化对其低压级温度场的影响,运用CFD方法对某无导叶对转涡轮模型级的流场进行了三维非定常多叶片排的数值模拟.结果表明,进入低压动叶中的热斑流体的迁移特性主要由通道二次流控制;进口热斑径向作用位置的变化将直接影响到低压动叶中的通道二次流结构,转子通道中的二次流与涡轮进口热斑直接相关;进口热斑径向作用位置的变化将对低压动叶吸力面上的附加高温区的强度产生显著影响.     

无导叶对转涡轮进口热斑迁移特性分析

为了揭示1 1/2(无低压导叶)对转涡轮进口热斑的迁移特性,运用三维非定常粘性流场计算程序对某1 l/2对转涡轮模型级在不同进口温度分布条件下的流场进行了数值模拟.结果表明,热斑在高压导叶中未发生周向和展向迁移;当进口热斑位于高压导叶流道中间时,高压动叶的热负荷加重;当进口热斑正对高压导叶前缘时,与进口热斑位于高压导叶流道中间方案相比,加重了高压导叶热负荷,但减轻了高压动叶热负荷;综合比较来看,进口热斑正对高压导叶前缘对涡轮冷却设计有利;冷热流体间的滑移速度、二次流效应和浮力效应是影响热斑迁移特性的主要因素;热斑在动叶中的迁移方向主要与冷热流体间滑移速度的方向有关,而与进口热斑相对第一级导叶的位置无关;在高压动叶中,二次流和浮力的作用效果均很明显;在低压动叶中,流体的迁移扩散行为主要受二次流控制,浮力基本不起作用.     

涡轮转速对无导叶对转涡轮流动特性的影响

为了探究无导叶对转涡轮在不同涡轮转速下的流动特性,运用CFD方法对某无导叶对转涡轮模型级的流场进行了三维定常多叶片排的数值模拟.结果表明,涡轮转速的变化对无导叶对转涡轮的喉部位置基本没有影响;随涡轮转速的升高,高压动叶内的激波损失增大,低压动叶内的激波损失减小,源生于低压动叶吸力面上的激波沿吸力面向尾缘移动;对于远离设计点的非设计工况,流动分离损失及低压动叶中的激波损失构成了对转涡轮损失中的主体;涡轮转速的变化对高低压动叶出口气流角及高压动叶出口马赫数的影响作用较大;高低压涡轮出功比、对转涡轮的总功率及等熵效率均随涡轮转速的增大而增大.     

非对称蛇形旋转通道换热及流场数值研究

为了深入了解空冷涡轮动叶的冷却机理和冷气流动特性,采用商业软件CFX5对旋转状态下某涡轮动叶的非对称蛇形内冷通道模型中的湍流流动和换热性能进行了数值模拟.得到了各主要换热面的换热系数分布,分析了通道内的流动规律.发现肋片结构与旋转因素引起了通道内的横向二次流,使整体的换热能力得到了增强,其中非对称因素及旋转因素导致了各个壁面的换热性能的差异.     

冷气掺混对高压涡轮流场结构影响的数值分析

燃气涡轮发动机中的冷气与主流掺混会带来一定的气动损失,造成发动机总体性能下降。本文在三维N-S程序的基础上,引入一种较为简单的冷气射流计算模型,对一级高压涡轮含有冷气掺混的三维流场进行了数值分析,揭示了冷气掺混对导叶流量特性及损失分布的影响,并通过涡轮叶片排二次流动结构的分析初步探讨了冷气掺混损失机理。     

低速轴流涡轮内部流动的大涡模拟

在低进口雷诺数下,低速轴流涡轮内部可能存在复杂的边界层转捩和分离流动。准确模拟边界层转捩和流动分离对低速轴流涡轮的气动设计具有重要意义。本文以某单级低速轴流涡轮为研究对象,采用大涡模拟方法对其在进口雷诺数为20000情况下的内部流动进行了数值模拟研究,并与前期采用全层流模型、S-A模型、Abu-GhannamShaw(AGS)转捩模型的模拟结果进行了对比,对比分析发现,大涡模拟结果与实验结果吻合更好,可以准确模拟该涡轮叶片吸力面的流动分离和叶片通道内的二次流动。由大涡模拟结果可以得出,静叶尾迹和分离使尾迹区的流体流动速度降低,但尾迹对流动角的影响较小。动叶入口低速微团在做周向运动的同时沿径向运动;高速微团主要沿周向运动。静叶叶片表面的分离流存在较大的由叶顶向叶根的径向的运动;动叶吸力面叶顶处也存在较大的分离流动.     

雷诺数对涡轮叶栅流动的影响

本文利用数值模拟手段模拟了涡轮叶栅内部三维流动,分析了雷诺数对涡轮叶栅内部流动图画的影响。结果表明在低于自模化雷诺数条件下,雷诺数的降低将对涡轮叶栅吸力面边界层的发展产生严重的不利影响。雷诺数降低至一定程度,将导致吸力面出现严重的分离,端部二次流流动相应加剧,使低雷诺数情况下涡轮叶栅性能恶化,在设计中应予充分重视。     

涡轮叶栅尾迹对二次流影响的试验研究

本文利用运动圆柱排模拟上游叶片尾迹,在平面涡轮叶栅上研究了上游尾迹与叶栅通道内二次流相互作用,初步讨论了尾迹与二次流相互作用的机理,研究发现利用这种相互作用可以控制二次流的强度、减小二次流损失,进而可实现提高涡轮效率的目的.     

基于湍动能的水泵水轮机无叶区流动分析

水泵水轮机采用非同步导叶时,无叶区的压力脉动幅值增大,流动更加不稳定。为了弄清无叶区的流动形态,分析预开启导叶对无叶区流动的影响,选取预开启导叶开度为21°下的飞逸工况点为研究对象,基于湍动能求解雷诺应力并对无叶区流动进行分析,详细分析各正应力项对流动稳定性的影响规律。对比同步导叶流场分布,提出无叶区流动稳定性的影响因素。在预开启导叶尾迹方向接近叶片压力面入口处,存在一个范围较大的高湍动能区域,其与雷诺应力的极值位置基本重合。     

叶片端部孔隙结构对透平叶栅气动性能影响的试验研究

减小叶片端部的二次流动能够显著减小叶栅的流动损失.本文通过分析叶栅二次流动的机理,提出了一种减小二次流损失的结构─叶片端部的孔隙结构.并通过试验验证了合理的孔隙结构能达到减小二次流损失的目的.本文分别研究了在透平叶片端部不同位置的孔隙结构对透平叶栅气动性能的影响.发现对于小尺寸的孔隙结构,其对流动控制的能力有限,尽管如此,其还是能够达到减小损失的目的.本文进行了五个攻角下的孔隙结构实验,结果表明:端部前缘孔隙结构与原始叶栅相比,不同攻角下的总压损失分别减小了2.4%、6.8%、6.8%、3.6%、2.7%.本文工作为提高透平叶栅气动性能提供了一种新思路.     

导叶展弦比对部分进气涡轮性能影响的数值研究

本文针对导叶展弦比对部分进气涡轮性能的影响进行了数值研究。结果表明:转子前缘靠近导叶吸力面边界处流动发生分离形成分离涡,使得损失增加;展弦比增加能增加进气区转子前缘靠近导叶吸力面处主流速度,进而降低分离涡强度并降低部分进气效应对进气区中心区域流动的影响,改善进气扇区中心区域流动,从而减少损失提升效率。与此相反,叶高、稠度不变时展弦比增加使得叶片数增加,叶型损失增加,且进气度越大,叶型损失增加量越大。当进气度小于50%时,进气扇区较小,展弦比增加诱发的分离涡强度降低的作用效果明显强于叶片数增加的影响,二者的综合作用使得涡轮效率得到提升;当进气度大于50%以后,分离涡对进气扇区中心区域的影响降低,分离涡强度的降低仅能改善进气区边界靠近导叶吸力面处的流动状态,但此时叶片数增加导致的叶型损失会显著增加,二者的综合作用导致涡轮效率提升的幅度降低。     

间隙高度对涡轮叶顶间隙流动的影响

叶顶间隙流动是导致涡轮动叶中产生流动损失的主要原因之一.对某动力涡轮第一级内三维流动的数值计算结果表明,流体在经过动叶叶顶间隙以后在约25%叶顶轴向弦长处(τ=3mm)在叶顶与吸力边夹角处卷起形成间隙涡,造成流动阻塞,同时在间隙内叶片顶部10%叶顶轴向弦长处(τ=3mm)开始在压力边出现叶顶分离涡,使得间隙流动损失增加.随着间隙高度增大,通过间隙的流量增加,间隙涡形成位置后移,间隙涡、叶顶分离涡尺寸变大,在流道内影响范围增大,导致流动损失变大.     

凹槽叶顶冷气射流对涡轮叶尖泄漏流动的影响

涡轮叶尖泄漏流动对涡轮通道内流动损失有着显著影响,叶顶冷气射流对控制叶尖泄漏流动和改善涡轮叶尖气热性能有重要意义。本文利用数值模拟方法,研究了叶顶冷气喷射位置和喷射流量对高压涡轮凹槽叶顶间隙泄漏流动控制的影响。文中重点分析了泄漏流动结构及涡轮气动效率的变化,探讨了冷气对刮削涡这一间隙内主控流动结构演化的影响。研究表明,冷气孔位置的变化对间隙内刮削涡的演化造成了一定影响,但并未造成涡轮整体效率的较大变化;而冷气喷射流量不仅影响到刮削涡结构演化,而且导致了涡轮级效率近0.5%的变化。     

变工况下缩放型流道涡轮动叶中激波对吸力面气膜冷却的影响

为了研究涡轮缩放型流道动叶中尾缘燕尾型激波与叶片吸力面相互作用对气膜冷却的影响,本文对不同转速和不同吹风比下无导叶对转涡轮高压动叶吸力面上激波与二次流对冷却流动及壁面静温的影响进行了数值研究。冷却孔位于高压动叶吸力面约30%轴向弦长处,沿叶高均布。共模拟了三种转速(高压动叶),分别为5460r/min、6970r/min和7800r/min;在每个转速下分别模拟了两种不同冷却气流进口速度,分别为10m/s和20m/s。从模拟结果可见,高压动叶吸力面上静温过激波作用位置后会有明显的上升,且在不同工况和不同冷却条件下静温升的大小存在差异。在高压动叶吸力面两端,冷却效果下降明显,二次流成为影响气膜冷却的主导因素,尤其是在叶片顶部。     

间隙尺寸对叶栅气动特性影响的实验研究

本文在低速风洞上对叶顶间隙尺寸为0.036 m的常规直叶栅的间隙中分面和上、下游及栅内的气动参数进行了详细的测量,并与黄洪雁博士对相同叶栅测量的0.023 m间隙尺寸下的实验数据进行了比较。通过对实验结果的分析和讨论,认为叶顶间隙的存在将在涡轮叶栅内引起沿叶高指向上端壁的二次流动,从而改善了下半叶展的流动性能,恶化了上半叶展的流动状态。在较大间隙下泄漏流动更加趋近上端壁,增强了壁面剪切效应,从而使得较大间隙的总压损失大于较小间隙。     

1+1对转涡轮1.5级时序效应数值研究

本文针对1+1对转涡轮1.5级不同时序位置进行了非定常数值计算,结果表明,通过改变低压级导叶时序位置,1+1对转涡轮1.5级在较差时序位置仍可获得较高时均效率。在分析涡轮内部流场时,首先,发现1+1对转涡轮高压级动叶的尾迹在低压级导叶内的演变规律与常规涡轮(拉伸、剪切、扭转最后聚集成一团)有所不同,尾迹一般呈现由细渐粗的线状分布特征,该特征有利于涡轮时均效率的提高;其次,发现尾迹与二次流两类低能流体迁移规律的不同导致时均效率随时序位置变化出现双峰值现象;最后,发现改变时序位置时,低能流体对下游导叶前25%轴向弦长叶表非定常力有所影响,且低能流体越强非定常力变化越大,后75%轴向弦长叶表非定常力基本不受时序位置影响。     

基于转轮人口流动的最优导叶开度预测

灯泡贯流式水轮机有可调节开度的活动导叶和转轮叶片,活动导叶安装角α_G与转轮叶片安装角（?）_R的组合有无限多种。本文目的在于:通过CFD（计算流体力学）能够于设计阶段预测α_G和（?）_R的最佳组合（即协联工况角）,以最大程度提高设计的水力性能及特性。论文使用速度矢量、欧拉能量因子、压能因子和总能因子等讨论活动导叶、转轮、尾水管的内部流动状况,阐明协联工况下转轮开度（?）_Rcam对最佳的活动导叶开度α_Gcam的影响,提出基于转轮叶片入口相对流动角预测协联工况下活动导叶最优开度的机理及方法。推导提出的预测式可用于CFD解析结果也可用于设计初期时使用,研究成果可为转轮优化设计提供可靠的技术支持。     

水泵水轮机无叶区压力脉动研究

为了研究水泵水轮机无叶区压力脉动特性,对某一电站水泵水轮机模型进行了试验,得到不同导叶开度下"S"特性及压力脉动特性。同时,利用ANSYS CFX对水泵水轮机19mm活动导叶开度下的不同工况进行了全流道非定常数值模拟,并分析了四种典型工况下水泵水轮机无叶区的压力脉动和内部流动。结果表明:水轮机工况P01,叶片吸力面附近流动分离较弱,无叶区的压力脉动较小;飞逸工况P05,流动分离加剧,形成了明显的旋涡,压力脉动较大;制动区工况P07,发生了明显的旋转失速,且频率为0.7f_n,流动呈现明显的不对称性,各流道的流量相差较大,压力脉动进一步增大;小流量工况P09,旋转失速消失,流动具有明显的对称性,压力脉动较小。该研究可为水泵水轮机的优化设计提供参考。     

混流式核主泵非定常流动特性的研究

基于LES模型模拟混流式核主泵在设计工况下的非定常特性,着重分析了叶轮进口处以及导叶接近出液管附近各流道内的非定常流动特征。研究表明:叶轮进口中心测点上叶频的三次谐波振幅相对较为明显,表明叶轮与导叶之间的动静干涉作用在叶轮进口中心处相对而言更加明显;导叶流道3与流道2相对压差较大,该流道正对球形壳体出液管附近,说明一个旋转周期内导叶的这两个流道内压力分布较为不均匀,其原因应与流道所处位置有关,在这两个流道附近存在较大的流动分离和回流;虽然在流道3内的压力系数波动最大,但叶轮对导叶流道3的干涉作用却相对于其他两个流道是最小的,进一步说明正对球形出液管附近的导叶流道内部流动较为复杂。