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。     

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。     

水泵水轮机空载开度压力脉动特性预测

为了解水泵水轮机非同步导叶启动过程空载开度下的压力脉动特性,优化机组的性能提高并网成功几率,采用RNG k-ε模型对水泵水轮机非同步导叶空载点进行模拟,并对内部流场和压力脉动特性进行了分析。结果表明,转轮与活动导叶之间的压力脉动由叶片通过频率央定,尾水管涡带的周期性旋转导致尾水管进口呈现低频压力脉动,压力脉动幅值最大处位于预开启同步导叶与转轮之间。     

水泵水轮机开机过程压力脉动的试验研究

水泵水轮机机组的压力脉动是影响机组稳定性的一个非常重要的因素,而转轮与活动导叶之间的无叶区的压力脉动具有振幅最大、振源复杂的特点。本文通过某抽水蓄能电站的真机的试验数据分析,对机组开机过程中无叶区的压力脉动进行了较为深入的研究,获得了水轮机的开机过程及水泵的开机过程中无叶区的压力脉动的幅值和频谱特性,并对其特点进行了分析。     

离心泵导叶流道进口处压力脉动研究

为研究离心泵导叶流道进口处压力脉动的分布及传播规律,深入探究导叶式离心泵内动静干涉作用机理。试验采集某核级离心泵相邻两个导叶流道进口处压力脉动信号,并对其进行分析。结果表明:模态节径模式分析方法可以用来分析预测压力脉动主要特征频率成分,导叶流道进口处压力脉动主要为叶片通过频率及其倍频,并以此形式沿叶轮旋转方向向下传播。相同导叶流道进口处流体流动具有不均匀性,各测点压力脉动主要特征频率及最大幅值对应频率不同。压力脉动在叶片通过频率及其倍频处相关性强,随着流量增大至设计工况,压力脉动能量逐渐集中到叶片通过频率及其倍频处。研究可为降低泵内压力脉动提供一定参考。     

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。     

多级离心泵内叶轮出口压力脉动研究

为研究瞬态工况下离心泵叶轮出口处的压力脉动情况,为离心泵泄漏流道流动提供边界条件,建立了包含叶轮和导叶流道的离心泵模型,基于CFD方法计算得到了其在不同工况下的性能参数,利用测试数据对结果进行了验证。分析了瞬态工况下叶轮出口处压力的变化趋势,比较了不同工况对叶轮出口压力脉动的影响,发现叶轮出口压力随叶轮旋转呈周期性变化,压力脉动频率与转速及叶轮数量有关;偏工况时叶轮出口压力脉动趋势与额定工况基本一致,但脉动频率及脉动幅值有较大区别;随离心泵转速增加,叶轮出口处压力脉动的最大值和最小值均呈减小趋势,但幅值随转速增加而增加,且增幅明显。     

水泵水轮机泵工况小流量区压力脉动预测

为了研究水泵水轮机偏工况下的导叶内部的压力脉动特征,本文比较分析了非定常雷诺平均模拟方法URANS和脱体涡模拟方法DES两种方法预测压力脉动特征的可行性,结果表明,DES可以用来预测压力脉动特征,最后,重点对泵工况Q/QD=0.15工况点的压力脉动的时域和频域特征进行了分析,得到固定导叶和活动导叶内部的压力脉动主要是低频成分,为转轮通过频率的11.27%。此外,固定导叶内部的压力脉动没有受到转轮内部的影响,而活动导叶内部则含有转轮通过频率成分。     

混流式核主泵内流动结构与压力脉动特性关联分析

核主泵内的流动不稳定将会引起严重振动,不利于其安全稳定运行。因此本文基于大涡模拟(LES)数值计算方法对几个典型工况下核主泵内部非稳态流动结构及其压力脉动特性进行全面阐述与关联性分析。研究表明,随着流量的增加,动静干涉作用在导叶出口处逐渐增加;偏工况条件下,导叶出口处压力脉动频谱低频段中均出现复杂激励频率,尤其是靠近出液管附近的导叶出口处。核主泵在偏大流量工况下运行时壳体右侧内部非稳态流动结构相较于壳体左侧更加复杂;在偏小流量工况下运行时壳体底部压力脉动更加剧烈。本文进一步详细描述了核主泵球形壳体内强涡量区的流动结构及其成因,并且发现测点处的压力频谱与涡量频谱有相同的主要激励频率,因此证明核主泵内非定常旋涡流动结构是激励压力脉动的主因之一。     

轴流式水轮机三维非定常湍流计算及压力脉动预测

水轮机的稳定性研究是目前工程上大型水轮机组流动分析的重要课题,本文以某水电站的大型轴流转桨式水轮机原型为基础建立计算模型,完成了从蜗壳进口到尾水管出口整个流道的非定常湍流计算,预测了固定导叶进口、转轮后、尾水管进口等多个位置的压力脉动,并利用FFT变换进行分析得到了压力脉动的频率和幅值,探讨了水轮机全流道内压力脉动产生和传播的原理．     

离心泵非设计工况内部流动特性研究

以单级蜗壳式离心泵为研究对象,基于RANS进行了全流场的非定常数值计算,探讨了叶轮的非定常流动特征,重点分析了叶轮出口沿轴向变化的圆周面流域内各节点的压力分布特性。结果表明:在叶片压力面及叶片后缘尾迹区发生了剧烈的湍流脉动现象;不同工况下叶轮出口圆周方向的压力系数C_p均在隔舌附近产生极值;额定工况Q/Q_N=1时,叶轮出口圆周方向的压力系数C_p呈稳定周期性分布,随着工况的改变,压力系数C_p沿蜗壳周向分布不均匀性增加;小流量工况下叶轮流域内发生了明显的流动分离现象,流道内产生了较大尺度的分离涡,破坏了叶轮出口圆周方向压力系数C_p的周期性分布特性;叶轮出口圆周压力系数C_p沿中截面两侧的流域内几乎对称分布;在Q/Q_N=0.2小流量工况下,压力脉动频谱图低频段内出现了较多复杂的激励信号,认为这与流域内的分离涡结构具有一定关联。     

向心涡轮三维黏性数值分析研究

本文采用CFD方法,对某涡轮增压器的可调导叶向心涡轮流道内的流动进行了数值模拟,进行了三个导叶开度(100%,50%和20%)多个流动工况的定常和非定常流动计算.在与实验测试的特性参数比较的基础上,详细分析了叶轮流道内的的二次流动生成和发展,并且研究了导叶开度对二次流动的影响.     

应用新型导叶的混流式水轮机DES模拟

应用脱离涡模型(DES),对两种采用了新型三维导叶的混流式模型水轮机进行了模拟.通过与模型试验对比,分析了新型导叶对于模型水轮机的内部流动状态和压力脉动的影响情况.与基于雷诺时均方程(RANS)的RNG k-ε求解结果对比,显示了DES模拟的优越性.结果显示,新型导叶对于降低水轮机压力脉动幅值有明显效果.     

不同空化条件下凝水泵内压力脉动特征

对一台凝水泵进行压力脉动实验研究。该凝水泵的叶轮由5长5短叶片组成,叶轮上下游分别设置导流栅和径向导叶。结果表明,该泵的临界汽蚀余量小于1m。低转速条件下,泵的总体压力脉动较高转速条件下低,但同流量下,泵的空化性能较高转速时差。随着泵进口压力的降低,叶频和1/2叶频对应的压力脉动幅值呈现下降趋势,并于空化临界点附近剧增。而小流量工况下,随着空化的发展,叶频被抑制,同时1/2叶频对应的压力脉动幅值呈现不规则变化。     

可调节活动导叶的形状解析

贯流式水轮机的活动导叶和转轮叶片都是可调节的,活动导叶开度角γG与转轮叶片角φR的协联关系相当重要,协联关系对水轮机设计及运行能够提供有效的帮助.至目前为止,γG和φR的协联关系即协联工况只能在水轮机设计完成后通过模型试验得到。本文在给定转轮叶片角φR的情况下,通过对活动导叶叶栅流道进行形状解析,进而在设计平台上预测对应协联工况开度角γG.     

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。     

非均匀入流对轴流泵装置反向发电叶轮受力的影响机理

为探究非均匀入流对轴流泵装置反向发电时叶轮受力特性和内部流态的变化,对某卧式轴流泵装置反向发电时进行了多工况全流道流动特性数值模拟。结果表明：非对称流动诱发叶轮受力不均,径向受力重心逐渐向正X与正Z方向偏移,X方向径向受力相对不稳定,且恒为正值;在相对旋转叶轮静止的参考系中,沿水流流向的由叶片进水边至出水边,压力脉动表现出先减小后增大,在进水边出现最大的脉动系数幅值。小流量工况靠近叶片出水边的轮毂处压力脉动幅值较大,为轮缘和叶片中部的3.04倍和2.18倍。结合叶轮流场的时空分析发现,叶轮正X方向持续存在的旋涡导致叶轮正X方向流态相对较差,加剧了叶片压力面的低频压力脉动,是诱导叶轮X方向径向受力不稳定且恒为正值的本质原因。     

从端壁动态压力场看压气机转子尖区流动

用高频压力传感器测量了低速单级压气机转子叶尖动态压力场。结果表明,转子叶背附面层径向潜流使得叶背附近存在一个高压带。叶背角区和叶盆角区的气流交混造成通道中部具有甚至不低于叶盆处的高压力。两个高压区都随流量的减小而扩大,并随流向逐渐融合,反映了叶背附面层径向潜流和中部气流交温的发展。设计状态下,泄漏涡是造成转子叶尖压力脉动的主要因素,形成的高水平压力脉动区随流向呈喇叭形逐渐扩大,约在一半弦长处脉动最强。近失速状态下,叶背前部角区中强叶面附面层潜流及与强泄漏流和端壁附面层的交混造成大范围的强压力脉动区,局部扩展到整个通道,通道中部叶背附面层很有可能发生分离。     

离心叶轮与无叶扩压器的多相位动态测试分析

离心压缩机在小流量下出现的非稳定流动现象影响着整机的性能和稳定运行范围。针对一台带无叶扩压器的离心压缩机,在盖板不同径向位置(叶轮入口、中后部、出口无叶区和扩压器入口)处周向布置4排动态压力测点,从设计工况到喘振过程中各个阶段的压力场均被详细测量。通过多相位动态测试技术,捕捉到通道内非稳定流动现象发展与传播的全过程,得到失速团的周向模态和传播速度等特性参数;同时,根据多相位数据关联,得到沿流动方向的旋涡产生信息,确定了失速产生的初始位置。该测试有利于进一步说明离心压缩机内流动失稳现象产生的机理,对压缩机扩稳技术也具有很强的指导意义。     

跨音压气机近失速状态的非定常特征

本文采用动态测量技术和非定常流动的分析方法,对高速跨音压气机近失速状态时,动叶顶部非定常流动的演变特征进行了实验研究。从时域、频域和流场特征的角度出发,探讨了旋转失速发生和发展过程中,流动失稳的物理机制．结果表明：远离设计工况时的失速先兆特征与临近设计工况时的先兆特征有着本质的区别。展示了非稳定分离流动与后续旋转失速成因的内在联系．