水輪機
關注創建者：郭蓋 創建時間：2015-10-13
水輪機的視頻教程
NUMECA FINE/TURBO 一瞥
葉輪機在今日社會的應用比較多，風扇、通風機、空調風機、油煙機、水輪機、汽輪機、燃氣輪機、飛機發動機、推進器、汽車增壓器等都屬于葉輪機。 NUMECA FINE TURBO軟件是葉輪機內部流動數值仿真軟件。仿真計算速度和內存需求比較小，計算精度多次獲得行業評測前列成績。 軟件分為數值仿真計算和葉輪設計優化兩個部分。課程對這兩個部分的功能和界面進行介紹和演示。
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基于Cadence高保真CFD方案的先進透平機械設計
直播大綱： ?學習如何使用Cadence Fidelity CFD方案設計高性能和高效的透平發動機 ?了解為什么不穩定性在透平機械設計中很重要，以及如何快速準確地建模 ?示例：如何通過非定常模擬更好地理解和分析多級設計 適用人群： 發動機、風機、水輪機等旋轉機械行業的設計，CFD模擬從業者，高校教師及學生。
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水輪機的實例教程
本報告中采用TCFD軟件對弗朗西斯水輪機進行了CFD仿真驗證，該項目與水輪機制造公司Hidroenergia共同完成。項目中對某現有實際水輪機進行了試驗測試，并將測試數據與TCFD的仿真數據進行了比較，TCFD仿真得到的水輪機效率、功率等數據與試驗結果高度吻合。
基準參數：
設計流速：10m/s
葉片數：13
轉速：600 RPM
功率：3000 kW
流動模型：不可壓
參考密度：996 kg/m3
網格數：500萬
動力粘性系數：1.0*10-3 Pa?s
流動介質：水
湍流模型：realizable k-epsilon
流體域：4
湍流強度：5%
弗朗西斯水輪機-FORTUNA二級水電站
弗朗西斯水輪機是一種結合了徑向和軸向流動的內流式反擊式水輪機，是當今最常用的水輪機形式。在本次仿真測試中研究的這款弗朗西斯水輪機被用在巴西的米納斯吉拉斯州的FORTUNA二級水電站上。該水電站擁有三臺弗朗西斯水輪機，下方的圖片展示了機組的安裝過程。
弗朗西斯水輪機由以下幾個主要部件組成：
蝸殼：水輪機轉輪周圍的螺旋殼體稱為蝸殼。水流進入蝸殼后，經過導葉進入葉輪對葉輪做功，蝸殼的橫截面積沿圓周均勻減小，所以流體在不同位置進入葉片時能夠保持接近恒定的速度。
導流和支撐葉片：導流和支撐葉片的主要功能是將流體的勢能轉換為動能，并將流體以設計角度引導到工作葉片。
工作葉片（葉輪）：工作葉片是水輪機的心臟。它們是水輪機工作的中心，水流沖擊產生的切向力使葉輪旋轉，從而產生扭矩。
展開 3、水輪機的空化
不同水頭、導葉開度下的空化狀態
空化-效率曲線計算
空化引起的壓力脈動
ANSYS軟件可以進行水輪機全流道空化流計算，得到內部兩相空化流場的詳細情況，預測水輪機的空化性能。
4、含沙水流分析及磨損預測
顆粒多相流仿真
材料磨損的定性、定量分析
優化轉輪設計（進口直徑和出口直徑等設計參數的選擇、轉輪葉片的改進設計）
水輪機泥沙磨損不僅與過機水流的含沙量，沙粒的礦物成分、硬度、形狀、粒徑、運動速度等有關，而且受水輪機的設計、水力模型（包括葉型、流道）的空化特性及過流部件所采用材料的影響。在水力設計上，可借助于ANSYS數值模擬進行磨損預測分析。
5、其他（結構、流固耦合問題）
水輪機、發電機結構部件的剛強度分析
水輪機、發電機結構部件的疲勞分析
轉輪濕模態分析
水輪機多物理場分析（結構+流體）
隨著水輪機單機容量的不斷提高、新材料的使用、機組運行水頭變幅大，轉輪的水力動載荷和裂紋問題明顯增多，影響機組的安全運行。運用ANSYS軟件的結構分析、流體分析以及耦合分析可以幫助工程師更好的解決水輪機的結構場、耦合場問題。
文章來源：廈門安創
展開 水輪機是一種廣泛應用在水利發電領域的流體機械，是水電站內的主要發電設備，其主要功能是將水流的動能轉化為機械能，再帶動發電設備將機械能轉化為電能。相較于火電發電設備而言，水輪機具有顯著的環保特性，可提供清潔可再生的清潔能源。
水輪機的雛形——水車，早在公元前100年（漢武帝時期）就出現在了中國，千百年來，人們使用水車進行汲水灌溉和驅動糧食加工機械（如磨坊），直到現在，在國內一些地區，仍可看到水車的身影，但更多是起到觀賞作用，讓大家認識古人在利用水利資源方面的智慧。
現代發電用水輪機可以分為兩類，沖擊式水輪機和反擊式水輪機，沖擊式水輪機主要由水流的動能做功，做功過程中壓力基本保持不變；反擊式水輪機則由水流的動能和壓力能共同做功。沖擊式和反擊式水輪機由根據結構特征的不同，有如下分類：
水斗式水輪機
軸流式水輪機
其中，水斗式水輪機的主要特點是：水流以射流的方式沿轉動水斗的切線方向沖擊葉片，由于該種水輪機是利用水流的動能做功，因此一般應用在小水流、大水頭的水利條件下。本文選取此類型水輪機進行仿真計算。
水輪機的CFD計算，屬于典型的氣液兩相流問題，通常需要應用的計算模型有湍流模型、多相流模型、空化模型、運動模型等。在多相流模型模型中，為了刻畫水流沖擊葉片時的兩相界面，通常使用VOF方法和LEVEL SET方法實現界面捕捉，關于這兩種方法的特點，可查詢公眾號往期文章。
展開 本報告中采用TCFD軟件對弗朗西斯水輪機進行了CFD仿真驗證，該項目與水輪機制造公司Hidroenergia共同完成。項目中對某現有實際水輪機進行了試驗測試，并將測試數據與TCFD的仿真數據進行了比較，TCFD仿真得到的水輪機效率、功率等數據與試驗結果高度吻合。
Cadence 的產品工程經理 Wout Poncelet 和 Numlberica 的 Hydro CFD 顧問 Remi Lestriez 討論了水輪機內部的流動特性，并展示了可靠的 CFD 模擬，以在非設計條件下對渦流繩進行建模和分析。標題為使用 Omnis CFD 平臺模擬水輪機的視頻演示 可在CadenceTECHTALK 上獲得。
介紹
在水電領域，水輪機主要用于將落水的能量轉化為旋轉機械能，然后再轉化為電能。混流式水輪機或反應式水輪機屬于出現在高達 800 MW 功率范圍內的水輪機類別。這些渦輪機的特點是徑向流入、入口葉片、轉輪和通過尾水管的軸向流出。它們可以在很寬的時間范圍內快速響應任何負載變化。
圖 1. 引導水流進入水輪機的入口葉片（左側）、GAMM 渦輪機的幾何結構（中間）以及渦輪機的部件，即導流管、葉片和轉輪（右側）。
在其最佳效率點的大約 50% 到 70% 的負載下，混流式水輪機會產生空化渦繩，這會導致壓力波動。這種部分負載浪涌也稱為Rheinganz 頻率。此處產生的頻率約為渦輪轉速的 1/3。運行中的這種不穩定行為不僅在部分負載下觀察到，而且在標稱滿載和過載時也觀察到。在本次 Cadence TECHTalk 中，演講者討論了渦流繩對水輪機設計帶來的不同挑戰，以及如何在非設計條件下準確分析渦流繩。
渦流繩帶來的挑戰
渦繩是混流式水輪機尾水管錐體中高雷諾數時發生的一種不穩定現象。在此類渦輪機的尾水管中觀察到兩種類型的渦流：
滿載脈動渦流繩
部分載荷下的螺旋渦流繩。
在非設計條件下運行的水輪機尾水管內的流動通常具有復雜的渦流特征，這會導致氣蝕現象。
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水輪機的最新內容
能源電力行業
例如汽輪機、水輪機、風機、壓縮機、渦輪膨脹機、電動機和發電機、勵磁機、齒輪箱、水泵等
在能源電力等能源設施中，可使用Hunter Pad對發電機、變壓器、汽輪機、壓縮機等關鍵設備進行狀態監測和故障預測。通過監測設備的振動、溫度、電氣參數等，及時發現潛在故障隱患，提前安排維修，保障電力供應的穩定性。
5.
我國成功研制全球單機容量最大沖擊式水輪機轉輪
近日，由哈電集團哈爾濱電機廠有限責任公司研制的全球單機容量最大（500兆瓦）沖擊式水輪機轉輪成功下線并發運。
該轉輪將應用于西藏扎拉水電站，這是全球在建綜合難度最高的沖擊式水電項目，落差近700米。轉輪重達80噸，由21個精密水斗構成，采用世界最大馬氏體不銹鋼材料制造，并通過數字仿真優化結構，確保極端工況下的穩定運行。
以下是即將實施的9個電機標準的詳細信息：
（1）GB/T 20834-2024 發電電動機技術要求
實施日期：2025-04-01
適用范圍：本文件適用于與水泵水輪機直接連接、額定容量為100 MVA及以上的三相、50Hz、可逆式凸極同步發電電動機。額定容量小于100 MVA的機組或頻率為60Hz的機組參照執行。
PART01
水輪機軸鍛造工藝的挑戰與機遇
水輪機軸作為水力發電設備的核心部件，不僅是能量轉化的物理載體，更是水電系統安全與經濟性的基石。其設計、制造與維護水平直接決定著機組的發電效率、使用壽命及抗風險能力。在鍛造工藝方面，水輪機軸面臨諸多技術挑戰，尤其是大型鍛件（直徑可達1.5米，長度超過10米）易出現成分偏析和晶粒粗大等問題。
PART01
水輪機軸鍛造工藝的挑戰與機遇
水輪機軸作為水力發電設備的核心部件，不僅是能量轉化的物理載體，更是水電系統安全與經濟性的基石。其設計、制造與維護水平直接決定著機組的發電效率、使用壽命及抗風險能力。在鍛造工藝方面，水輪機軸面臨諸多技術挑戰，尤其是大型鍛件（直徑可達1.5米，長度超過10米）易出現成分偏析和晶粒粗大等問題。
一、案例背景
水輪機是水電站發電用的設備，活動導葉是水輪機的一個部件，可以預先調節水的流量和角度。因此活動導葉會承受較大水壓，發生微小變形，設計時需要對其進行靜強度分析。
本案例需要的輸入文件和參數信息如下表：
圖1 幾何模型
二、導入幾何
a. 啟動AIFEM 2024R1；
b.
軸流式水輪機CFX分析
AxialIni_001.res
3、電力、動力工程
電廠設備的強度測試，如核電站安全殼整體強度測試；水輪機軸及葉片的應變應力測試；蒸汽管道受熱后的應變應力、溫度、壓力綜合測試。
4、冶金、石油、化工
鋼錠模表面熱應力測試；油罐、壓力容器、管道的壓力、應變應力測試。
旋轉機械CFD仿真解決方案合集，涉及發動機、風機、水輪機（內含6個免費干貨視頻）
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