混流式水輪機(jī)
關(guān)注創(chuàng)建者：我愛汽輪機(jī)仿真 創(chuàng)建時間：2023-06-19
混流式水輪機(jī)的實例教程
水輪機(jī)中強(qiáng)大的振動和壓力脈動可能給機(jī)械的性能、壽命和安全造成嚴(yán)重的不利影響。它會導(dǎo)致噪聲、裂紋乃至機(jī)械故障。
全球領(lǐng)先的水電設(shè)備、技術(shù)和服務(wù)供應(yīng)商之一，Voith Hydro 公司觀察到，強(qiáng)烈振動可能導(dǎo)致混流式水輪機(jī)導(dǎo)流葉片出現(xiàn)疲勞裂紋。在立軸混流式水輪機(jī)中，水從水平方向流入螺旋形管道（蝸殼），其環(huán)繞在旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)輪周圍。靜態(tài)的導(dǎo)流葉片用于調(diào)節(jié)并將水流導(dǎo)向轉(zhuǎn)輪的外沿。
在轉(zhuǎn)輪流道內(nèi)部，水壓的勢能轉(zhuǎn)化為扭矩，促使轉(zhuǎn)輪和連著的軸和發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。水從下方垂直離開轉(zhuǎn)輪，并進(jìn)入尾水管，剩余的動能轉(zhuǎn)化為額外的壓力水頭。
使用結(jié)構(gòu)仿真，Voith 的工程團(tuán)隊排除導(dǎo)流葉片的自激勵和諧振是導(dǎo)致振動的原因。利用計算流體動力學(xué)（CFD）技術(shù)，他們判斷出轉(zhuǎn)輪葉片（而不是導(dǎo)流葉片）上存在渦旋脫落，其是導(dǎo)致振動的原因。這部機(jī)器由24 個導(dǎo)流葉片和13 個轉(zhuǎn)輪葉片組成。其工作速度為75rpm。振動測量顯示所有的導(dǎo)流葉片都在290Hz 到305Hz 范圍內(nèi)的相同頻率上振動，但無法在工作過程中對轉(zhuǎn)輪葉片的振動開展測量。
導(dǎo)流葉片振動的物理測量。圖片由Voith提供。
模態(tài)分析說明導(dǎo)流葉片自然頻率遠(yuǎn)離于測得的振動頻率。圖片由Voith提供。
簡化水域中的轉(zhuǎn)輪聲學(xué)有限元模型。圖片由Voith提供。
為確定轉(zhuǎn)輪上渦旋脫落如何給導(dǎo)流葉片造成不利影響，該團(tuán)隊利用水域中轉(zhuǎn)輪的有限元模型進(jìn)行聲- 流固耦合。該模型使用流體有限元耦合轉(zhuǎn)輪和流道之間的動力學(xué)行為。結(jié)果證明是轉(zhuǎn)輪葉片后緣的激勵導(dǎo)致了振動。仿真結(jié)果與測量得到的振動頻率吻合，大約在300Hz。通過修改原型轉(zhuǎn)輪葉片后緣的形狀，最大程度減小渦旋脫落，振動明顯得到減輕。
展開 水輪機(jī)中強(qiáng)大的振動和壓力脈動可能給機(jī)械的性能、壽命和安全造成嚴(yán)重的不利影響。它會導(dǎo)致噪聲、裂紋乃至機(jī)械故障。
全球領(lǐng)先的水電設(shè)備、技術(shù)和服務(wù)供應(yīng)商之一，Voith Hydro 公司觀察到，強(qiáng)烈振動可能導(dǎo)致混流式水輪機(jī)導(dǎo)流葉片出現(xiàn)疲勞裂紋。在立軸混流式水輪機(jī)中，水從水平方向流入螺旋形管道（蝸殼），其環(huán)繞在旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)輪周圍。靜態(tài)的導(dǎo)流葉片用于調(diào)節(jié)并將水流導(dǎo)向轉(zhuǎn)輪的外沿。
在轉(zhuǎn)輪流道內(nèi)部，水壓的勢能轉(zhuǎn)化為扭矩，促使轉(zhuǎn)輪和連著的軸和發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。水從下方垂直離開轉(zhuǎn)輪，并進(jìn)入尾水管，剩余的動能轉(zhuǎn)化為額外的壓力水頭。
使用結(jié)構(gòu)仿真，Voith 的工程團(tuán)隊排除導(dǎo)流葉片的自激勵和諧振是導(dǎo)致振動的原因。利用計算流體動力學(xué)（CFD）技術(shù)，他們判斷出轉(zhuǎn)輪葉片（而不是導(dǎo)流葉片）上存在渦旋脫落，其是導(dǎo)致振動的原因。這部機(jī)器由24 個導(dǎo)流葉片和13 個轉(zhuǎn)輪葉片組成。其工作速度為75rpm。振動測量顯示所有的導(dǎo)流葉片都在290Hz 到305Hz 范圍內(nèi)的相同頻率上振動，但無法在工作過程中對轉(zhuǎn)輪葉片的振動開展測量。
導(dǎo)流葉片振動的物理測量。圖片由Voith提供。
模態(tài)分析說明導(dǎo)流葉片自然頻率遠(yuǎn)離于測得的振動頻率。圖片由Voith提供。
簡化水域中的轉(zhuǎn)輪聲學(xué)有限元模型。圖片由Voith提供。
為確定轉(zhuǎn)輪上渦旋脫落如何給導(dǎo)流葉片造成不利影響，該團(tuán)隊利用水域中轉(zhuǎn)輪的有限元模型進(jìn)行聲- 流固耦合。該模型使用流體有限元耦合轉(zhuǎn)輪和流道之間的動力學(xué)行為。結(jié)果證明是轉(zhuǎn)輪葉片后緣的激勵導(dǎo)致了振動。仿真結(jié)果與測量得到的振動頻率吻合，大約在300Hz。通過修改原型轉(zhuǎn)輪葉片后緣的形狀，最大程度減小渦旋脫落，振動明顯得到減輕。
展開 大型混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪用鑄鋼件夾雜缺陷預(yù)測與工藝優(yōu)化
沈 旭,魯文濤,殷亞軍,計效園,萬鵬,周建新
(華中科技大學(xué) 材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室,湖南 長沙 430074)
摘 要：水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪用鑄鋼件是大型混流式水輪機(jī)的關(guān)鍵部件，是水流動能轉(zhuǎn)化為電能的主要運動裝置，如何高效、高質(zhì)地制造水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪用鑄鋼件是高效、長效發(fā)電的基礎(chǔ)。本文以數(shù)值模擬為突破點，對水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪用部件(上冠和下環(huán))鑄造過程的典型缺陷進(jìn)行預(yù)測，結(jié)合缺陷結(jié)果對水輪機(jī)部件分別進(jìn)行工藝優(yōu)化，以期獲得良好的鑄件。分析水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪用下環(huán)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(yù)測模型，對原始工藝水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪用下環(huán)鑄鋼件進(jìn)行充型過程流動分析及夾雜粒子運動軌跡預(yù)測，基于模擬分析手段，對下環(huán)鑄鋼件進(jìn)行工藝優(yōu)化，對夾雜缺陷的消除與轉(zhuǎn)移具有良好的效果。通過對下環(huán)、上冠兩部分鑄件的鑄造工藝分析優(yōu)化，可以獲得質(zhì)量優(yōu)良的鑄件，為后續(xù)焊接成整個轉(zhuǎn)輪提供了強(qiáng)有力的方案支撐，對其他水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪用鑄鋼件提供技術(shù)支持。
關(guān)鍵詞：缺陷預(yù)測；工藝優(yōu)化；鑄鋼件；
目前水力發(fā)電主要采用水電裝機(jī)將水力轉(zhuǎn)換為電力，這些水電裝機(jī)核心部件是水輪機(jī)。隨著水輪機(jī)容量增大，轉(zhuǎn)輪直徑變大，水輪機(jī)的制造也越來越困難。水輪機(jī)主要包括底環(huán)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)輪體、支持蓋和受油器等，其中轉(zhuǎn)輪體是水輪機(jī)的主要運動部件，是控制水電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵，同時也是易于摩損或損壞的關(guān)鍵部件。
水輪機(jī)輪轉(zhuǎn)體一般分為三個部分進(jìn)行鑄造，分別為：上冠、葉片和下環(huán)，這三個部分鑄件鑄造的質(zhì)量決定了轉(zhuǎn)輪體的質(zhì)量，進(jìn)而影響水輪機(jī)的運行效率與壽命。因此研究水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪體部件鑄造工藝是保證水輪機(jī)質(zhì)量的前提。
水輪機(jī)部件鑄造過程中會產(chǎn)生多種缺陷，主要包括夾渣和縮松縮孔等。
展開 1．水輪機(jī)有哪些工作參數(shù)？
水輪機(jī)的基本工作參數(shù)有水頭、流量、轉(zhuǎn)速、出力和效率。
水輪機(jī)水頭是指水輪機(jī)進(jìn)口斷面與其出口斷面的單位重量水流能量的差值，用H表示，單位為m。
水輪機(jī)流量是指單位時間內(nèi)通過水輪機(jī)過水?dāng)嗝娴乃黧w積。
水輪機(jī)轉(zhuǎn)速是指水輪機(jī)主軸每分鐘旋轉(zhuǎn)的次數(shù)。
水輪機(jī)出力是指水輪機(jī)軸端輸出的功率。
水輪機(jī)效率是指水輪機(jī)出力與水流出力之比。
2．水輪機(jī)有哪幾種類型？
水輪機(jī)可分為反擊式和沖擊式兩大類。反擊式水輪機(jī)包括混流式水輪機(jī)(HL)、軸流定槳式水輪機(jī)(ZD)、軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)(ZZ)、斜流式水輪機(jī)(XL)、貫流定獎式本輪機(jī)(GD)和貫流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)(GZ)六種型式。
沖擊式水輪機(jī)包括水斗式(切擊式)水輪機(jī)(CJ)、斜擊式水輪機(jī)(XJ)和雙擊式水輪機(jī)(SJ)三種形式。
3．什么是反擊式水輪機(jī)和沖擊式水輪機(jī)？
將水流的位能、壓能和動能轉(zhuǎn)換成固體機(jī)械能的水輪機(jī)稱為反擊式水輪機(jī)。
將水流的動能轉(zhuǎn)換成固體機(jī)械能的水輪機(jī)稱為沖擊式水輪機(jī)。
4．混流式水輪機(jī)的特點及適用范圍？
混流式水輪機(jī)又稱法蘭斯式水輪機(jī)，水流由徑向進(jìn)入轉(zhuǎn)輪，大體沿軸向流出。混流式水輪機(jī)應(yīng)用水頭范圍較大，結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，效率高。是現(xiàn)代應(yīng)用最廣泛的水輪機(jī)之一。水頭適用范圍50～700m。
5．輪流式水輪機(jī)的特點及適用范圍？
軸流式水輪機(jī)，轉(zhuǎn)輪區(qū)域內(nèi)水流沿軸向流動，水流在導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪間由徑向轉(zhuǎn)為軸向。
定槳式結(jié)構(gòu)簡單,但它在偏離設(shè)計工況時效率會急劇下降,適用于功率不大及水頭變化幅度較小的電站,一般水頭范圍3～50m。轉(zhuǎn)槳式結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，它通過槳葉的轉(zhuǎn)動與導(dǎo)葉的轉(zhuǎn)動相互配合，實現(xiàn)導(dǎo)葉與槳葉的雙重調(diào)節(jié)，擴(kuò)大了高效區(qū)的出力范圍，有較好的運行穩(wěn)定性。目前，應(yīng)用水頭范圍從幾米直到50～70m。
6．水斗式水輪機(jī)的特點及適用范圍？
展開 Cadence 的產(chǎn)品工程經(jīng)理 Wout Poncelet 和 Numlberica 的 Hydro CFD 顧問 Remi Lestriez 討論了水輪機(jī)內(nèi)部的流動特性，并展示了可靠的 CFD 模擬，以在非設(shè)計條件下對渦流繩進(jìn)行建模和分析。標(biāo)題為使用 Omnis CFD 平臺模擬水輪機(jī)的視頻演示 可在CadenceTECHTALK 上獲得。
介紹
在水電領(lǐng)域，水輪機(jī)主要用于將落水的能量轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，然后再轉(zhuǎn)化為電能。混流式水輪機(jī)或反應(yīng)式水輪機(jī)屬于出現(xiàn)在高達(dá) 800 MW 功率范圍內(nèi)的水輪機(jī)類別。這些渦輪機(jī)的特點是徑向流入、入口葉片、轉(zhuǎn)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(nèi)快速響應(yīng)任何負(fù)載變化。
圖 1. 引導(dǎo)水流進(jìn)入水輪機(jī)的入口葉片（左側(cè)）、GAMM 渦輪機(jī)的幾何結(jié)構(gòu)（中間）以及渦輪機(jī)的部件，即導(dǎo)流管、葉片和轉(zhuǎn)輪（右側(cè)）。
在其最佳效率點的大約 50% 到 70% 的負(fù)載下，混流式水輪機(jī)會產(chǎn)生空化渦繩，這會導(dǎo)致壓力波動。這種部分負(fù)載浪涌也稱為Rheinganz 頻率。此處產(chǎn)生的頻率約為渦輪轉(zhuǎn)速的 1/3。運行中的這種不穩(wěn)定行為不僅在部分負(fù)載下觀察到，而且在標(biāo)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(jī)設(shè)計帶來的不同挑戰(zhàn)，以及如何在非設(shè)計條件下準(zhǔn)確分析渦流繩。
渦流繩帶來的挑戰(zhàn)
渦繩是混流式水輪機(jī)尾水管錐體中高雷諾數(shù)時發(fā)生的一種不穩(wěn)定現(xiàn)象。在此類渦輪機(jī)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(shè)計條件下運行的水輪機(jī)尾水管內(nèi)的流動通常具有復(fù)雜的渦流特征，這會導(dǎo)致氣蝕現(xiàn)象。
展開 
混流式水輪機(jī)的相關(guān)專題、標(biāo)簽、搜索
混流式水輪機(jī)的最新內(nèi)容
大型混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪用鑄鋼件夾雜缺陷預(yù)測與工藝優(yōu)化
沈 旭,魯文濤,殷亞軍,計效園,萬鵬,周建新
(華中科技大學(xué) 材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室,湖南 長沙 430074)
摘 要：水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪用鑄鋼件是大型混流式水輪機(jī)的關(guān)鍵部件，是水流動能轉(zhuǎn)化為電能的主要運動裝置，如何高效、高質(zhì)地制造水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪用鑄鋼件是高效、長效發(fā)電的基礎(chǔ)。
論文分享
作者：Mark R. Anderson
ConceptsNREC 首席技術(shù)官
全球領(lǐng)先的水電設(shè)備、技術(shù)和服務(wù)供應(yīng)商之一，Voith Hydro 公司觀察到，強(qiáng)烈振動可能導(dǎo)致混流式水輪機(jī)導(dǎo)流葉片出現(xiàn)疲勞裂紋。在立軸混流式水輪機(jī)中，水從水平方向流入螺旋形管道（蝸殼），其環(huán)繞在旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)輪周圍。靜態(tài)的導(dǎo)流葉片用于調(diào)節(jié)并將水流導(dǎo)向轉(zhuǎn)輪的外沿。
在轉(zhuǎn)輪流道內(nèi)部，水壓的勢能轉(zhuǎn)化為扭矩，促使轉(zhuǎn)輪和連著的軸和發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。
Omnis 中的快速工作流程通過混流式水輪機(jī)的穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)仿真得到證明，允許用戶設(shè)計水輪機(jī)，減少由于渦繩引起的設(shè)計不穩(wěn)定性。
要充分了解所有最新的 Cadence CFD 新聞，請訂閱我們的時事通訊。
文章來源：cadence博客
1849年，美國的弗朗西斯發(fā)明混流式水輪機(jī)。
1850～1851年，德國的克勞修斯和英國的開爾文分別提出熱力學(xué)第二定律。
1850～1880年，英國發(fā)明各種氣體保護(hù)無氧化加熱方法。
1856年，德國工程師協(xié)會成立。
英國的貝塞麥發(fā)明轉(zhuǎn)爐煉鋼。
1856～1864年，英國的西門子和法國的馬丁發(fā)明平爐煉鋼。
1857年，英國的貝塞麥發(fā)明連續(xù)鑄造方法。
全球領(lǐng)先的水電設(shè)備、技術(shù)和服務(wù)供應(yīng)商之一，Voith Hydro 公司觀察到，強(qiáng)烈振動可能導(dǎo)致混流式水輪機(jī)導(dǎo)流葉片出現(xiàn)疲勞裂紋。在立軸混流式水輪機(jī)中，水從水平方向流入螺旋形管道（蝸殼），其環(huán)繞在旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)輪周圍。靜態(tài)的導(dǎo)流葉片用于調(diào)節(jié)并將水流導(dǎo)向轉(zhuǎn)輪的外沿。
在轉(zhuǎn)輪流道內(nèi)部，水壓的勢能轉(zhuǎn)化為扭矩，促使轉(zhuǎn)輪和連著的軸和發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。
4．混流式水輪機(jī)的特點及適用范圍？
混流式水輪機(jī)又稱法蘭斯式水輪機(jī)，水流由徑向進(jìn)入轉(zhuǎn)輪，大體沿軸向流出。混流式水輪機(jī)應(yīng)用水頭范圍較大，結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，效率高。是現(xiàn)代應(yīng)用最廣泛的水輪機(jī)之一。水頭適用范圍50～700m。
5．輪流式水輪機(jī)的特點及適用范圍？
軸流式水輪機(jī)，轉(zhuǎn)輪區(qū)域內(nèi)水流沿軸向流動，水流在導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪間由徑向轉(zhuǎn)為軸向。
