基于全流道非定常流动计算的轴流式水轮机尾水管压力脉动分析
水轮机复重点
1、水轮机的基本工作参数都有哪些？答：水头、流量、转速、出力、效率（每写对一个得2分）2、水轮机的编号规则？类型 比转速表示水轮型号 主轴布置形式 引水形式 以厘米表示的转轮直径（每写对一个得2分）3、试简述一元理论，二元理论，三元理论。
一元理论：采用无穷叶片数及轴面速度沿过流断面均匀分布假定，流动状态只是转面流线长度坐标的函数。
二元理论：放弃一元理论中两个基本假设中的一个。
三元理论：完全放弃一元理论的两个基本假设，直接研究三维流场。
4、什么是蜗壳的最大包角、水轮机比转速、单位流量？答：蜗壳最大包角指蜗壳的进口端面到蜗壳的鼻端所围成的角度。
水轮机比转速是指水轮机在水头为1m ，出力为1kw 时所具有的转速。
单位流量是指水轮机标称直径为1m ，有效水头为1m 时所具有的的流量。
5、按水流流经导叶与水轮机轴线的相对位置，导水机构可分为哪几种形式？（1）径向式导水机构，水流方向与主轴垂直（2）轴向式导水机构，水流方向与主轴平行（3）斜向式导水机构，水流方向与主轴相交6、水轮机的几个典型工作水头如何定义？最大水头：是允许水轮机运行的最大净水头。
最小水头：是保证水轮机安全、稳定运行的的最小净水头。
设计水头：是水轮机发出额定出力时所需的最小净水头。
加权平均水头：是在一定时期内（视水库的调节性能而 定），所有可能出现的水轮机水头的加权平均值，是水轮机在其附近运行时间最长的净水头。
7、水轮机的主要过流部件有哪些及其作用是什么？答：水轮机的主要过流部件有：引水室、导水机构、转轮、尾水管。
1）引水室的作用是将水流按所需要的速度（大小和方向）引入转轮。
()1111Q n ，轮机的功率，以适应负荷的变化；在非蜗壳式引水室中，还用来改变水流方向，以适应转轮需要。
3）转轮的作用是改变水流方向并产生能量。
4）尾水管作用是将离开转轮的水引导至下游并利用转轮出口水流的部分能量。
8、什么是水轮机的最优工况、协联工况、飞逸工况、飞逸转速？说明飞逸工况的危害。
报告-轴向水推力计算
1 轴向水推力的计算表1如图1所示，混流可逆式水轮机转轮轴向水推力F w(方向向下为正)的构成可描述[1]为：F w=F1-F2-F3-F4F1=F11+F12+F13+F14F2=F21+F22+F23F3=F31+F32F4=F41+F42式中：F1—转轮上冠上表面所受轴向水推力，向下为正；F2—转轮下环外表面所受轴向水推力，向上为正；F3—转轮进、出口所受轴向水推力，向上为正；F4—转轮内腔流道表面所受轴向水推力及转轮在水中浮力，向上为正；F11—上止漏环外侧高压腔上冠上表面所受轴向水推力；F12—上止漏环齿槽处上冠上表面所受轴向水推力；F13—上止漏环内侧低压腔上冠上表面所受轴向水推力；F14—主轴密封腔内法兰盘上表面所受轴向水推力；F21—下止漏环外侧高压腔下环外表面所受轴向水推力；F22—下止漏环齿槽处下环外表面所受轴向水推力；F23—下止漏环内侧低压腔下环外表面所受轴向水推力；F31—转轮进口断面所受轴向水推力；F32—转轮出口断面所受轴向水推力；F41—转轮内腔流道(包括叶片)表面所受轴向水推力；F42—转轮在水中浮力。
轴向水推力的计算采用两种方法。
F3和F4采用ANSYS CFX软件数值模拟计算得到，而转轮上冠和下环水体计算域由于尺寸太小，采用数值模拟方法无法准确计算出结果，所以F1和F2采用解析计算方法得到。
1.1 转轮轴向水推力的解析计算(1) F11，F13，F14和F21，F23的求解转轮上冠上表面或下环外表面所受轴向水推力的公式[1]如下：F ij=π{[p0−ρ2(πK0nr030)2](r22−r12)+ρ(πK0n30)2r24−r144}式中：Fij—所求轴向水推力(即F11，F13，F14和F21，F23)(N)；r0，p0—已知点处的半径(m)和静压力(Pa)；ρ—水的密度(kg/m3)；n—转轮转速(RPM)；r1，r 2—对应腔体内、边界处的半径(m)；K—圆周速度系数，一般取0.5。
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非定常的热传导-对流问题 非定常流场 非定常流动计算方法 非定常流动数值计算 非定常气动载荷 非定常气动力 非定常数值模拟 非darcy流 隔舌间隙 降阶模型 阻力特性 逆压梯度 远场噪声 进展 运动模型 迎风格式 边坡稳定分析 轴流转桨式水轮机 轴流式通风机 轴流式水轮机 跨声压气机 超声速底部绕流 贯流风机 试验 计算流体力学 解析解 蠕变参数反演 虚拟质量力 自然超空泡 脱落涡 脉动风压 能量法 胸鳍 网格局部重构 结构振动 细长体 线抽样技术 线性波理论 精度 粒子图像测速 空间结构 空穴漏气 空化流动 空化模型 空化 离散速度坐标法 离心风机 瞬态过程 瞬态启动 直升机 盐析特性 独立膨胀原理 特低渗透 热声
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2010年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40
科研热词 混流式水轮机 数值模拟 流激振动 广义变分原理 压力脉动 飞逸过渡过程 频率可靠性 非定常 运行区 轴系 转轮叶片 转轮上冠间隙 计算流体动力学 蜂窝密封 虚拟样机 瞬态湍流场 流固耦合 流体-结构相互作用 活动导叶 泄水锥 水轮机 水轮发电机组 水压力脉动 水力机械 止漏环 模型试验 有限元法 整体流动模型 数值方法 定常和非定常压力 定常与非定常速度 大涡模拟 吸水 动网格 动应力 减振 仿真 不同步导叶 三维瞬态湍流场 gmres
53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63
叶道涡 可倾瓦导轴承 变分原理 动静干涉 动态特性 传递矩阵法 优化 临界转速 不同步导叶 三维导叶 x型叶片
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
推荐指数 11 5 4 3 3 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
基于CFD的混流式水轮机减压管数值分析
巷
第
ｌ
在 本计 算 中 ． 用不 可 压 缩 流体 的连 续 方程 和 采 Ｒ ｙｏ ｓ 均 的Ｎ— 方 程 （ 见 文献 ［】模 拟水 轮 机 ｅｎｌ 平 ｄ Ｓ 详 ７） 中 的流 动 ， 时使 用 Ｒ Ｇｋ一 双方 程 湍 流 模 型 （ 同 Ｎ 详
一
体 网格划 分 ， 空 间结 构 简单 的尾 水 管则 采 用结 构 对 化六 面体 网格划 分 。 在本 文 的 计算 中 ， 于密 封 间 隙非 常 小 ， 为 由 仅 １ ｍ． 了进行 分 析 ， 须 对 间 隙 网格 加 密 。另 ．ｍ 为 ５ 必 外 ．虽 然 减 压管 尺寸 相 对 于 间隙 尺 寸来 讲 比较 大 ， 但 相 对于 蜗 壳 、 叶 、 导 转轮 、 力 腔及 尾 水 管 来讲 则 压 显 得很 小 ．在 划分 网格 时这些 地 方 必 须分 别 考 虑 。 因 此 在计 算 时 采 用分 块 网格 技 术 ，将 计 算 区域 分
电站 机 组 为例 ． 含 减压 管 的原 型 水 轮 机进 行 三 维 对
０ 引 言
水 力 发 电机组 中减 压 管 的主 要 作 用 是 降低 顶
第
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定常 全流 道数 值模 拟 。
１ 数 学 模 型 的 建 பைடு நூலகம் 和 求解
１１ 控 制方 程 ．
盖 和转 轮 上冠 之 间压 力 腔 的压 力 ．以降 低 水推 力 。 但 是 减 压 管 的存 在 对 于 水 轮 机转 轮 密 封 间 隙 流 场 的扰 动 作 用 ． 往 不 容 易 引起 人 们 的重 视 ， 关 于 往 而 这 方面 振动 的研究 也不 多见 。针对 水 电机组 的振 动 问题 ． 内外 学 者做 了 大量 的研 究 ． 其 以尾 水 管 国 尤
水轮机发展现状与研究方向综述
水轮机发展现状与研究方向综述能源与动力工程2班摘要：水轮机是实现流体功和能转换的流体机械，是水电站的主要设备之一。
它的性能优劣，结构完善与否，直接涉及到水电事业的发展程度。
通过对水轮机的学习，认识到了我国水轮机制造和水电站建设的概括，了解了水轮机主要研究和开发的方向，性能要求以及结构工艺的进展。
关键词：水轮机发展现状结构性能研究方向引言我国可供开发的水利资源很大，年发电量居世界首位。
至2016年，全国水电总装机容量也保持世界第一，作为一种获取廉价电力的能源，水力发电的优点众多。
而水轮机作为水力发电站核心设备，更是主要研究对象。
水轮机是把水流的能量转换为旋转机械能的动力机械。
早在公元前100年前后，中国就出现了水轮机的雏形——水轮，用于提灌和驱动粮食加工器械。
现代水轮机则大多数安装在水电站内，用来驱动发电机发电。
在水电站中，上游水库中的水经引水管引向水轮机，推动水轮机转轮旋转，带动发电机发电。
作完功的水则通过尾水管道排向下游。
水头越高、流量越大，水轮机的输出功率也就越大。
现如今现代水轮机已经发展了近百年，已经日趋完善。
它的发展现状应该我们关心的重要问题，通过对它的了解，掌握它未来的研究方向。
一历史发展水轮机系由古代的水轮或水车演变而来。
15 世纪中叶到 18 世纪末 , 水力学理论开始有了发展, 又随着工业的进步, 对水力原动机提出了功率更大、转速更快、效率更高的改造要求。
1745 年英国学者巴克斯, 1750 年匈亚利的辛格聂尔分别提出了一种依靠水流反作用力工作的水动压能机其效率只有 50% 左右。
1751 ~ 1755 年间俄国彼德堡院士欧拉, 分析了水动压能机的工作过程, 建立了力矩, 转速和水流作用力等参数之间的方程式( 水轮机基本方程式) , 并依此所制造出的另一种原动机后被称为反击式的水轮机, 其效率仍然不高。
1824 年法国学者勃尔金在上述基础上作了弯板叶道转轮的水轮机改进, 但效率仍低于 65% 。
第2章 水轮机的工作原理
3、水轮机的机械损失(friction loss)及机械效率 有效功率Ne ：在扣除水力损失与容积损失后，
便可得出水流作用在转轮上的有效功率Ne为：
机械损失：转轮将有效功率转化为水轮机的轴 功率N时，其中还有一小部分功率 N j 消耗在各种 机械损失上，如密封及轴承处的摩擦损失、转轮外 表面与周围水体之间的摩擦损失等称为机械损失。
水流进入转轮后的运动分析： 水流质点进入转轮后，一面沿叶片流动，一面
随着转轮的转动而旋转，构成一种复合运动。 水流运动是空间三元流，其运动规律用速度三
角形表达，满足如下矢量关系： V U W （2-1）
V —水流绝对流速(相对于地球)； U —水流随转轮旋转的牵连流速(圆周速度，方
向与圆周相切) ； W —水流沿叶片流动的相对流速 (与叶片相切)
这样作用在水流质量上的外力矩即仅转轮叶片
对水流作用力所产生的力矩Mo，即 Mw ＝Mo。
根据作用力与反作用力的定律，水流对转轮的
作用力矩M与上述外力矩Mo大小相等，方向相反，
即M＝- Mo，则有：
M
Qe g
(Vu1r1
Vu2r2 )
(2-8)
该式表达了水轮机中水流能量转换为旋转机械
能的基本平衡关系，说明水流在转轮中交换能量是
其中 W 与 U 之间的夹角用β表示，称为相 对速度W的方向角； V 与 U 之间的夹角用α表示， 称为绝对速度V 的方向角。
V Vu Vz Vr Vu Vm W Wu Wz Wr Wu Wm
Vm Wm Vr Wr Vz Wz Vu Wu U
U 2Vu
cos2 )
(2-11) (2-12) (2-13)
水轮机原理复习资料(复习)
水轮机原理复习资料
H.R.
34. 空 化 现象是 由于 水流的 速度升 高带来 液体内 部的 压力升 高所引 起的。 （ × ） 35.尾水管是反击式水轮机的必要部件。 （√ ） 36.水轮机模型综合特性曲线是以水头和出力作为坐标参数。错 37.可以增加水流环量的导叶形状是正曲率的导叶。错 38.弯肘式尾水管的水力性能比直锥形尾水管好。错 39.当转轮进口所需要的环量小于蜗壳所产生的环量时，采用负曲率的导叶。错 40.目前调节水轮机流量主要是通过改变导叶的出口角来实现。错 41.以水流流线为母线绕水轮机轴线旋转所形成的回转面，称为水流的轴面。错 42.金属蜗壳的平面尺寸比混凝土蜗壳大。对 43.转轮出口动能越大，尾水管动能恢复系数越大。错 44.蜗壳包角越大，过流条件越好。对 45.水轮机的最大允许吸出高度应选择各水头下吸出高度的最大值。 这里是负值， 应为最小） 46.选型设计中，计算水轮机转轮直径 D1 时，采用的是平均水头。错 （这里是 设计水头，转速才是平均水头。) ⒈水轮机的工作水头是水轮机进、出口断面的单位重量的水流能量差。 （√ ） 2.法向出口是指转轮出口水流的绝对速度方向与圆周速度方向垂直。 （ √ ） 3.无撞击进口是指转轮进口水流的相对速度方向与叶片骨线方向一致。 （ √ ） 5.水轮机的单位转速和单位流量分别相等时，其比转速一定相等。 （ √ ） 6.水轮机运转综合特性曲线是以水头和出力作为坐标参数。 （ √ ） 7.在同样水头和出力条件下，比转速越高，水轮机转轮尺寸越小。 （ √ ） 8.水轮机进口水流的环量必须大于出口水流的环量才能正常工作。 （ √ ） 9.水轮机的工况相似，其比转速一定相等。 （√ ） 10.水轮机的空化系数与水轮机的工况有关。 （√ ） 11.水轮机的装置空化系数与水轮机的工况无关。 （√ ） 12.反击式水轮机的基本方程式可以用于冲击式水轮机。 （√ ） 13.冲击式水轮机是利用水流的动能工作的。 √ 14.反击式水轮机的特征是： 同一时间内所有转轮叶片之间的流道都有水流通过。 （√ ） 15.冲击式水轮机的特征是：在同一时刻内水流只冲击转轮的一部分，而不是全 部。 （√ ） 16.设计水头 Hr 是指水轮机发额定出力时的最小水头。 （√ ） 17.水轮机基本方程式的实质是由水流能量转换为旋转机械能的平衡方程。 （√ ） 18.静力真空是吸出高度，取决于水轮机的安装高程，与水轮机的性能无关。 （√ ） 19.水轮机等开度线的形状与其比转速有关。 √ 20.尾水管是反击式水轮机的必要部件。 （√ ） 21.防止翼型空化的条件是实际吸出高度大于允许吸出高度。 （ × ） 22.水轮机模型综合特性曲线是以水头和出力作为坐标参数。 （ × ） 23.水轮机的效率是指水轮机出力与发电机出力之比。 （ × ） 24.发电机的效率是指水轮机出力与发电机出力之比。 （ × ） 25.只有几何相似的水轮机才有可能工况相似（×
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© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net基于全流道非定常流动计算的轴流式水轮机尾水管压力脉动分析
姬晋廷,郑小波,罗兴 (西安理工大学水利水电学院,西安710048)
摘 要:以轴流式水轮机全流道三维非定常湍流数值模拟为基础,对轴流式水轮机尾水管内的非定常流场进行了分析,
研究了尾水管内涡带的形态,对尾水管压力脉动的幅值和频率特点进行了分析。结果表明,大流量工况时,在尾水管内形成了一个与转轮旋转方向相反低压涡带,引发了低频压力脉动,这种低频压力脉动是水轮机中压力脉动的主要脉动源之一。关键词:水力机械;非定常流动;轴流式水轮机;压力脉动;尾水管涡带中图分类号:TK73012文献标识码:A
Analysisofpressurefluctuationindrafttubebasedonsimulationofunsteadyflowinwholepassageofaxialflowturbine
JIJinting,ZHENGXiaobo,LUOXingqi(SchoolofWaterResourcesandHydroelectricEngineering,Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an 710048)
Abstract:Basedon32Dunsteadyturbulentflownumericalsimulationofthewholepassageinaxialflowturbine,theunsteadyflowfieldindrafttubeisanalyzedinthispaper.Theshapeofvortexropeindrafttubeisstudied.Thepressurefluctuationindrafttubeisanalyzedbythecharacteristicsofamplitudeandfrequency.Theresultshowsthatavortexropewithlowpressurecomesintodrafttubeunderlargedischargecondition.Therotationdirectionofthevortexropeisoppositetotherotationdirectionoftherunner.Thevortexropecausedbypressurefluctuationwithlowfrequencyisoneofthemainvibrationsourcesinhydraulicturbine.Keywords:hydraulicmachinery;unsteadyflow;axialflowturbine;pressurefluctuation;vortexropeindrafttube
收稿日期:2008208218
基金项目:国家自然基金重点项目(90410019);国家自然基金项目(50809054)作者简介:姬晋廷(1963—),男,博士研究生.
E2mail:jijinting@163.com
0 前言水轮机运行稳定性一直是困扰水电厂电力生产的难点问题之一[1～3],水轮机稳定性的好坏,直接影响到水电
厂能否稳定乃至安全生产,如何保证水轮机运行稳定是目前水电厂亟待解决的问题。导致水力机组运行不稳定的原因非常复杂,其中水力因素主要有4个方面:尾水管涡带、水轮机迷宫止漏装置中的压力脉动、卡门涡、叶片出口边附近的脱流。其中尾水管涡带是机组振动最主要的原因,其危害性也最大。分析尾水管涡带引起压力脉动的作用形式及机理对研究水轮机稳定性是十分重要的。目前,水轮机尾水管涡带的研究主要在三个方面开展:理论研究,试验分析和数值模拟(CFD)。计算机技术迅速发展以来,虽然理论工作和实验研究的重要性未变,但是CFD在水力机械技术上的应用已经蓬勃兴起。作为实验分析的有力补充或是用来独立数值试验CFD越来越显示出强大的功能和特有的优越性,数值模拟正在以强劲的势头作为主要研究手段之一逐渐占据水力机械行业的主导地位。Shyy和Braaten最早应用k2ε模型的湍流计算方法对水轮机尾水管的稳态流动进行研究,从技术上验证了k2ε模型在尾水管流动计算的可行性[4]。Wang等学者应用数学上的涡运动理论[6,7]建立了一种简单而可行的涡模型来预估压力脉动的问题,并进一步用
三维涡丝模型取代面涡模型,计算了尾水管直锥段的流速场,发展了离散涡法在尾水管中的应用方法。我国科学
第28卷第2期2009年4月水 力 发 电 学 报JOURNALOFHYDROELECTRICENGINEERINGVol.28 No.2Apr.,2009© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net界许多工作者也多角度、变思维、深层次地对尾水管水流流动数值模拟进行了研究[8～10]。以轴流式水轮机全流道三维非定常湍流数值模拟为基础,对轴流式水轮机尾水管内的非定常流动进行了分析。本文以全流道三维非定常湍流数值模拟为基础,开展了轴流式水轮机尾水管内的非定常流动的数值研究,对尾水管内涡带的形态、尾水管压力脉动的幅值和频率特点进行了分析。
图1 几何模型Fig.1 Geometricmodel
1 流动分析模型本文采用基于雷诺时均的N2S方程和k2ε紊流模型,采用有限体积法和非结构化网格,对包括蜗壳、导叶、转轮和尾水管在内的轴流式水轮机全流道内部的三维非定常流动进行了数值计算。轴流式水轮机全流道的几何模型见图1。对计算几何模型采取分块网格划分的方式,将全流道分为五个部分,分别是蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮和尾水管;在叶片区域采用局部加密技术。考虑到转轮与活动导叶以及尾水管进口之间的动静干涉问题,本文采用滑移网格模型,在转轮进口前和转轮出口后形成两个网格滑移面,以模拟动静干扰的流场。
图2 计算工况点Fig.2 Operationconditionofcalculation
2 计算条件本文以国内某电站的轴流式水轮机为模型进行计算。根据轴流式水轮机的特点,选定图2所示的四个工况为计算工况。流动分析的时间步长为1Π180转轮旋转周期,
Δ
T
=0100467s,每个时间步长里转轮旋转2度,计算时间总长共4个转轮旋转周期。
3 计算结果与分析311 尾水管涡带的形态以工况4为例,图3显示了一个转轮旋转周期内尾水管进口在6个不同时刻的压力分布变化情况;图4显示了尾水管内-01025MPa等压面在一个周期内的变化情况;图5给出了一个周期内尾水管直锥段和弯肘段交界面上的流线分布。根据非定常计算结果,在大流量工况(工况4)时尾水管内有一个明显的与转轮旋转方向相反的低频涡带,其频率约为0153Hz,约为机组转频的0144倍,涡带形状如图4所示。低压涡带在弯肘段壁面的影响下,蜕变成较小的涡带,流向下游,涡核在旋转过程中随着螺距的增大强度变弱,并逐渐消失。312 尾水管进口压力脉动幅值与频率为了考察尾水管进口附近的压力脉动值变化,对图5所示三点压力进行分析。表1为各工况尾水管进口各点压力脉动的相对幅值。图6显示了四个工况下三个计算点的压力脉动值。可以看出,工况1各点压力脉动幅值较小,工况4各点压力脉动幅值较大。根据计算结果,在尾水管进口三个计算点的压力随时间变化较大,其中P2、P3两点的变化规律比较明显,P1
点压力的变化规律随工况不同发生变化。P3点位于进口边缘,压力变化周期与转轮旋转周期一致。图7分别为不同工况P3点的压力脉动频域图。根据计算结果,尾水管进口各点压力脉动的主频成分主要由012091Hz、014183Hz、0183646Hz等低频成分组成,为转频的01175～017倍;此外,在活动导叶区、转轮前后区域的计算结果中也发现了相同的频率成分,说明尾水管低压涡带形成后,引发的低频压力脉动在传播到上游的过流通道时,引起该处的低频压力脉动,这种低频压力脉动是水轮机中压力脉动的主要脉动源之一;另外,在尾水管管壁处发现了86178Hz和83122Hz的高频压力脉动,约为叶片转频的73～70倍,约为机组转频14～1416倍,应该是由叶片出口水流的影响所致。
841水 力 发 电 学 报2009年© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net图3 工况4不同时刻尾水管进口压力分布Fig.3 Pressuredistributionontheinletofdrafttubeatdifferenttimepointundercondition4
图4 工况4不同时刻尾水管涡带的形态Fig.4 Shapeofvortexropeindrafttubeatdifferenttimepointundercondition4
4 结论本文对包括不完全蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮和尾水管在内的轴流式水轮机全过流部件进行了三维非
941第2期姬晋廷等:基于全流道非定常流动计算的轴流式水轮机尾水管压力脉动分析