水輪機的案例
【技術】使用TCFD進行弗朗西斯水輪機CFD仿真驗證
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 CFD仿真技術在水輪機產品設計中的應用簡介
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 水輪機數值模擬：兩相流+被動運動
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 使用TCFD進行弗朗西斯水輪機CFD仿真驗證
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。
不要讓渦流繩束縛您的水輪機
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。
展開 大型混流式水輪機轉輪用鑄鋼件夾雜缺陷預測與工藝優化
大型混流式水輪機轉輪用鑄鋼件夾雜缺陷預測與工藝優化
沈 旭,魯文濤,殷亞軍,計效園,萬鵬,周建新
(華中科技大學 材料成形與模具技術國家重點實驗室,湖南 長沙 430074)
摘 要：水輪機轉輪用鑄鋼件是大型混流式水輪機的關鍵部件，是水流動能轉化為電能的主要運動裝置，如何高效、高質地制造水輪機轉輪用鑄鋼件是高效、長效發電的基礎。本文以數值模擬為突破點，對水輪機轉輪用部件(上冠和下環)鑄造過程的典型缺陷進行預測，結合缺陷結果對水輪機部件分別進行工藝優化，以期獲得良好的鑄件。分析水輪機轉輪用下環鑄鋼件的典型缺陷，確定了夾雜為其主要缺陷。建立了夾雜粒子運動軌跡預測模型，對原始工藝水輪機轉輪用下環鑄鋼件進行充型過程流動分析及夾雜粒子運動軌跡預測，基于模擬分析手段，對下環鑄鋼件進行工藝優化，對夾雜缺陷的消除與轉移具有良好的效果。通過對下環、上冠兩部分鑄件的鑄造工藝分析優化，可以獲得質量優良的鑄件，為后續焊接成整個轉輪提供了強有力的方案支撐，對其他水輪機轉輪用鑄鋼件提供技術支持。
關鍵詞：缺陷預測；工藝優化；鑄鋼件；
目前水力發電主要采用水電裝機將水力轉換為電力，這些水電裝機核心部件是水輪機。隨著水輪機容量增大，轉輪直徑變大，水輪機的制造也越來越困難。水輪機主要包括底環導水機構、轉輪體、支持蓋和受油器等，其中轉輪體是水輪機的主要運動部件，是控制水電轉換的關鍵，同時也是易于摩損或損壞的關鍵部件。
水輪機輪轉體一般分為三個部分進行鑄造，分別為：上冠、葉片和下環，這三個部分鑄件鑄造的質量決定了轉輪體的質量，進而影響水輪機的運行效率與壽命。因此研究水輪機轉輪體部件鑄造工藝是保證水輪機質量的前提。
水輪機部件鑄造過程中會產生多種缺陷，主要包括夾渣和縮松縮孔等。
展開 抽水蓄能電站水泵水輪機裝拆方式技術交流
c.中拆方式
中拆方式是指水泵水輪機轉掄、中間軸、頂蓋、主軸等部件，可以分別由水輪機層的中拆廊道拆出并進行檢修的拆裝方式。采用中拆方式的機組軸系采用三段軸，水輪機層機墩處設置尺寸滿足上述部件裝拆運輸要求的中拆廊道，同時配備有裝拆和運輸專用工具。目前國內水泵水輪機采用純中拆方式的機組如惠州、寶泉、回龍等項目。
此種方式優點：
①檢修水泵水輪機部件，不需要拆卸發電電動機；
②如運輸條件允許，頂蓋可以做成整體結構，將給頂蓋的制造、加工和安裝帶來極大的方便，并能提高頂蓋的整體剛度。
此種方式缺點：
①設置中間軸，增加制造、安裝成本；
②設置中間軸，增加機坑及廠房高度，不利于廠房受力分布；
③在機墩處設置中拆廊道，削弱了混凝土整體強度；
④設置專用的拆卸、運輸工具。
d.其它
目前國內水泵水輪機也有采用上述方式結合在一起的拆裝方式，如天荒坪電站，其水泵水輪機就采用中拆和下拆的混合方式。
近年來，隨著對機組運行穩定性的關注逐步提高，高水頭大出力蓄能機組采用上拆結構的越來越多。同時水機部件制造質量和設計水平不斷提高，從目前運行情況還是不錯的。
展開 某燈泡貫流式水輪機關鍵部件CFD分析
作者：馬彪 田春艷 來源：e-works
導讀：本文以某電站燈泡貫流式水輪機為建模對象，應用三維造型軟件建立三維水體模型，模型主要由流道體、燈泡體、轉輪體、導葉和槳葉組成。
引言
本文以某燈泡貫流式水輪機為研究對象，應用三維造型軟件建立三維水體模型，使用CFD軟件采用分塊網格技術將包括進水流道、導葉、葉片、尾水管的整個子區域分別進行網格劃分，并確定適合的CFD計算方法、收斂標準及水輪機效率。其中，CFD計算方法包括：控制方程、邊界條件、進出口邊界、動靜交界耦合面、SIMPLEC算法、湍流模型。最終，從效率和導水機構、葉片、尾水管等水輪機關鍵部件等CFD計算結果來看，效率符合水輪機外特性曲線，在小開度下易脫流并產生卡門渦街。
某燈泡貫流式水輪機基本參數如下：額定出力為24.67MW，額定流量為399.7m3/s，額定轉速為68.18r/min，飛逸轉速為219r/min，最高水頭為10m，額定水頭為6.8m，最低水頭3.1m，最大水頭時的正向最大軸推力為354t，反向最大軸推力為462t，導水機構有16只導葉，由四個葉片組成。
1 CFD數值計算
1.1三維幾何模型
本文以某電站燈泡貫流式水輪機為建模對象，應用三維造型軟件建立三維水體模型，模型主要由流道體、燈泡體、轉輪體、導葉和槳葉組成。
（1）流道體：由壩體、進水流道、轉輪室、尾水流道四部分組成，繪出流道體外部輪廓線和截面線，生成流道體。
展開 余能回收水輪機葉片參數化設計與性能研究
陳德新，論文第三作者，華北水利水電大學教授，主要從事水輪機理論研究與設計。
文章來源：節水灌溉編輯部
模擬水輪機中的旋轉渦帶現象
01 研究背景
由于水電站對電力需求的快速響應，水輪機通常用于調節電網。在設計階段，水輪機通常被設計為在最佳效率點或設計工況（BEP）下運行，但在實際工況中，由于電網進行調峰，通常需要水輪機工作在從部分負載（PL）到高負載（HL）的擴展域中。
這些非設計運行工況可能會導致非預期的危險現象，例如影響渦輪效率和預期壽命的渦流擊穿 (VB)。
由于水輪機體型大、結構復雜、具有許多運動部件及葉片，內部產生的流場十分復雜，因此目前通常使用計算流體力學CFD仿真的方法來研究水輪機的內部流情況。
本案例使用CFD仿真軟件，在Francis-99水輪機尾水管內以數值方式重建旋轉渦帶，并根據實驗結果驗證。用于驗證的實驗結果由挪威科技大學搭建的Francis-99水輪機實驗臺架公開案例提供。
02 模型建立
幾何和網格：
本案例使用的幾何和網格均來自挪威科技大學搭建的Francis-99實驗臺架公開案例。Francis-99是挪威Tokke發電廠運行的Francis渦輪機的1:5.1比例模型。該模型的幾何結構包括一個蝸殼、14個固定導葉、28個活動導葉、15個轉輪葉片、15個分流葉片和一個肘形尾水管。在案例中，數值研究僅在轉輪和引流管中進行。
展開 【CAE案例】模擬水輪機中的旋轉渦帶現象
01 研究背景
由于水電站對電力需求的快速響應，水輪機通常用于調節電網。在設計階段，水輪機通常被設計為在最佳效率點或設計工況（BEP）下運行，但在實際工況中，由于電網進行調峰，通常需要水輪機工作在從部分負載（PL）到高負載（HL）的擴展域中。
這些非設計運行工況可能會導致非預期的危險現象，例如影響渦輪效率和預期壽命的渦流擊穿 (VB)。
由于水輪機體型大、結構復雜、具有許多運動部件及葉片，內部產生的流場十分復雜，因此目前通常使用計算流體力學CFD仿真的方法來研究水輪機的內部流場情況。
本案例使用CFD仿真軟件，在Francis-99水輪機尾水管內以數值方式重建旋轉渦帶，并根據實驗結果驗證。用于驗證的實驗結果由挪威科技大學搭建的Francis-99水輪機實驗臺架公開案例提供。
02 模型建立
幾何和網格：
本案例使用的幾何和網格均來自挪威科技大學搭建的Francis-99實驗臺架公開案例。Francis-99是挪威Tokke發電廠運行的Francis渦輪機的1:5.1比例模型。該模型的幾何結構包括一個蝸殼、14個固定導葉、28個活動導葉、15個轉輪葉片、15個分流葉片和一個肘形尾水管。在案例中，數值研究僅在轉輪和引流管中進行。
圖 1 水輪機計算域
下圖展示了實驗中，監測線（Line 1 和 Line2）的位置。
圖 2 監測線位置
計算設置：
本案例使用的湍流模型為k-e模型。本案例所用CDF仿真軟件提供了兩種轉子-定子模型：基于多坐標系方法的凍結轉子（Frozen rotor）模型，以及轉子網格移動的完整瞬態（Full transient）模型。本案例使用凍結轉子模型先得出了一個近似的穩態結果，再以穩態結果作為輸入條件使用完整瞬態模型進行了瞬態分析。
展開 
某燈泡貫流式水輪機關鍵部件CFD分析
作者：馬彪 田春艷 來源：e-works
導讀：本文以某電站燈泡貫流式水輪機為建模對象，應用三維造型軟件建立三維水體模型，模型主要由流道體、燈泡體、轉輪體、導葉和槳葉組成。
引言
本文以某燈泡貫流式水輪機為研究對象，應用三維造型軟件建立三維水體模型，使用CFD軟件采用分塊網格技術將包括進水流道、導葉、葉片、尾水管的整個子區域分別進行網格劃分，并確定適合的CFD計算方法、收斂標準及水輪機效率。其中，CFD計算方法包括：控制方程、邊界條件、進出口邊界、動靜交界耦合面、SIMPLEC算法、湍流模型。最終，從效率和導水機構、葉片、尾水管等水輪機關鍵部件等CFD計算結果來看，效率符合水輪機外特性曲線，在小開度下易脫流并產生卡門渦街。
某燈泡貫流式水輪機基本參數如下：額定出力為24.67MW，額定流量為399.7m3/s，額定轉速為68.18r/min，飛逸轉速為219r/min，最高水頭為10m，額定水頭為6.8m，最低水頭3.1m，最大水頭時的正向最大軸推力為354t，反向最大軸推力為462t，導水機構有16只導葉，由四個葉片組成。
1 CFD數值計算
1.1三維幾何模型
本文以某電站燈泡貫流式水輪機為建模對象，應用三維造型軟件建立三維水體模型，模型主要由流道體、燈泡體、轉輪體、導葉和槳葉組成。
（1）流道體：由壩體、進水流道、轉輪室、尾水流道四部分組成，繪出流道體外部輪廓線和截面線，生成流道體。
展開 水輪發電機故障處理與檢修
水輪發電機故障處理與檢修:)
水輪發電機故障處理與檢修.part1.rar
水輪發電機故障處理與檢修.part2.rar
水輪發電機故障處理與檢修.part3.rar
水輪發電機故障處理與檢修.part4.rar
水輪發電機故障處理與檢修.part5.rar
設計仿真 | Simufact Forming仿真技術破解水輪機軸鍛造難題
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。由于結構尺寸龐大，端部鍛造流動缺陷可能導致材料去除量增加，影響材料利用率，同時鍛后熱處理的淬透性控制也至關重要。傳統的試錯法制定工藝不僅研發周期長，試制成本也較高，因此需要在材料性能、成型精度、缺陷控制及后續處理等環節進行綜合優化。
PART02
Simufact Forming：鍛造工藝的“數字實驗室”
海克斯康Simufact Forming鍛造工藝仿真包括鐓粗、模鍛、拉伸、拔長、自由鍛、擠壓、輥鍛、線割、熱處理等工藝，能夠幫助用戶通過仿真的方式實現鍛造成形工藝虛擬試錯，通過對成形過程中材料流動、溫度、應力、應變、折疊缺陷、設備噸位、微觀晶粒等分析，幫助優化鍛造工藝。
PART03
水輪機軸優化材料利用率的挑戰
在水輪機軸的制造過程中，提高材料利用率對控制成本至關重要。材料損耗主要來自底部廢料、過渡區域切除、端部鼓包修整以及其他工藝性損耗。
該團隊熱衷于優化大型直徑水輪機軸鑄錠的重量，對材料利用效率提出了極高要求，這需要在整個鍛造工藝中采取系統性優化措施。其中，解決端部膨脹導致的材料損失尤為關鍵——膨脹不僅會增加鍛件重量，還會影響最終成型精度。
傳統工藝通常在開槽后對底部廢料進行熱切割，但將其整合到最終產品中存在技術難點。若將底部廢料保留作為軸體的一部分，雖可提高材料利用率，卻會加劇鍛造過程的復雜性：金屬流動的不可預測性可能直接影響鍛件質量。
展開 水輪發電機故障處理與檢修.part1.rar
水輪發電機故障處理與檢修.part1.rar
水輪發電機故障處理與檢修.part1.rar
水輪發電機故障處理與檢修.part2.rar
水輪發電機故障處理與檢修.part3.rar
