混流式水輪機的案例
多物理場仿真解決混流式水輪機中的振動問題
水輪機中強大的振動和壓力脈動可能給機械的性能、壽命和安全造成嚴重的不利影響。它會導致噪聲、裂紋乃至機械故障。
全球領先的水電設備、技術和服務供應商之一，Voith Hydro 公司觀察到，強烈振動可能導致混流式水輪機導流葉片出現疲勞裂紋。在立軸混流式水輪機中，水從水平方向流入螺旋形管道（蝸殼），其環繞在旋轉轉輪周圍。靜態的導流葉片用于調節并將水流導向轉輪的外沿。
在轉輪流道內部，水壓的勢能轉化為扭矩，促使轉輪和連著的軸和發電機旋轉。水從下方垂直離開轉輪，并進入尾水管，剩余的動能轉化為額外的壓力水頭。
使用結構仿真，Voith 的工程團隊排除導流葉片的自激勵和諧振是導致振動的原因。利用計算流體動力學（CFD）技術，他們判斷出轉輪葉片（而不是導流葉片）上存在渦旋脫落，其是導致振動的原因。這部機器由24 個導流葉片和13 個轉輪葉片組成。其工作速度為75rpm。振動測量顯示所有的導流葉片都在290Hz 到305Hz 范圍內的相同頻率上振動，但無法在工作過程中對轉輪葉片的振動開展測量。
導流葉片振動的物理測量。圖片由Voith提供。
模態分析說明導流葉片自然頻率遠離于測得的振動頻率。圖片由Voith提供。
簡化水域中的轉輪聲學有限元模型。圖片由Voith提供。
為確定轉輪上渦旋脫落如何給導流葉片造成不利影響，該團隊利用水域中轉輪的有限元模型進行聲- 流固耦合。該模型使用流體有限元耦合轉輪和流道之間的動力學行為。結果證明是轉輪葉片后緣的激勵導致了振動。仿真結果與測量得到的振動頻率吻合，大約在300Hz。通過修改原型轉輪葉片后緣的形狀，最大程度減小渦旋脫落，振動明顯得到減輕。
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水輪機中強大的振動和壓力脈動可能給機械的性能、壽命和安全造成嚴重的不利影響。它會導致噪聲、裂紋乃至機械故障。
全球領先的水電設備、技術和服務供應商之一，Voith Hydro 公司觀察到，強烈振動可能導致混流式水輪機導流葉片出現疲勞裂紋。在立軸混流式水輪機中，水從水平方向流入螺旋形管道（蝸殼），其環繞在旋轉轉輪周圍。靜態的導流葉片用于調節并將水流導向轉輪的外沿。
在轉輪流道內部，水壓的勢能轉化為扭矩，促使轉輪和連著的軸和發電機旋轉。水從下方垂直離開轉輪，并進入尾水管，剩余的動能轉化為額外的壓力水頭。
使用結構仿真，Voith 的工程團隊排除導流葉片的自激勵和諧振是導致振動的原因。利用計算流體動力學（CFD）技術，他們判斷出轉輪葉片（而不是導流葉片）上存在渦旋脫落，其是導致振動的原因。這部機器由24 個導流葉片和13 個轉輪葉片組成。其工作速度為75rpm。振動測量顯示所有的導流葉片都在290Hz 到305Hz 范圍內的相同頻率上振動，但無法在工作過程中對轉輪葉片的振動開展測量。
導流葉片振動的物理測量。圖片由Voith提供。
模態分析說明導流葉片自然頻率遠離于測得的振動頻率。圖片由Voith提供。
簡化水域中的轉輪聲學有限元模型。圖片由Voith提供。
為確定轉輪上渦旋脫落如何給導流葉片造成不利影響，該團隊利用水域中轉輪的有限元模型進行聲- 流固耦合。該模型使用流體有限元耦合轉輪和流道之間的動力學行為。結果證明是轉輪葉片后緣的激勵導致了振動。仿真結果與測量得到的振動頻率吻合，大約在300Hz。通過修改原型轉輪葉片后緣的形狀，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 小水電站基本知識
1．水輪機有哪些工作參數？
水輪機的基本工作參數有水頭、流量、轉速、出力和效率。
水輪機水頭是指水輪機進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。
水輪機流量是指單位時間內通過水輪機過水斷面的水流體積。
水輪機轉速是指水輪機主軸每分鐘旋轉的次數。
水輪機出力是指水輪機軸端輸出的功率。
水輪機效率是指水輪機出力與水流出力之比。
2．水輪機有哪幾種類型？
水輪機可分為反擊式和沖擊式兩大類。反擊式水輪機包括混流式水輪機(HL)、軸流定槳式水輪機(ZD)、軸流轉槳式水輪機(ZZ)、斜流式水輪機(XL)、貫流定獎式本輪機(GD)和貫流轉槳式水輪機(GZ)六種型式。
沖擊式水輪機包括水斗式(切擊式)水輪機(CJ)、斜擊式水輪機(XJ)和雙擊式水輪機(SJ)三種形式。
3．什么是反擊式水輪機和沖擊式水輪機？
將水流的位能、壓能和動能轉換成固體機械能的水輪機稱為反擊式水輪機。
將水流的動能轉換成固體機械能的水輪機稱為沖擊式水輪機。
4．混流式水輪機的特點及適用范圍？
混流式水輪機又稱法蘭斯式水輪機，水流由徑向進入轉輪，大體沿軸向流出。混流式水輪機應用水頭范圍較大，結構簡單，運行可靠，效率高。是現代應用最廣泛的水輪機之一。水頭適用范圍50～700m。
5．輪流式水輪機的特點及適用范圍？
軸流式水輪機，轉輪區域內水流沿軸向流動，水流在導葉與轉輪間由徑向轉為軸向。
定槳式結構簡單,但它在偏離設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。轉槳式結構較復雜，它通過槳葉的轉動與導葉的轉動相互配合，實現導葉與槳葉的雙重調節，擴大了高效區的出力范圍，有較好的運行穩定性。目前，應用水頭范圍從幾米直到50～70m。
6．水斗式水輪機的特點及適用范圍？
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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 論文分享 | 壓縮機設計:軸流式、混流式還是離心式？
圖片來源：《選擇一臺壓縮機的子午向拓撲形式：軸流式、混流式、離心式》，Smyth, Miller, GT2021-59121.
令人驚訝的是，這張圖表表明，混流式設計是最終的設計選擇。混合流設計并非不為人知，但在葉輪機械環境中是罕見的。我常常想，在世界上混合流設計還有更大的空間，它們之所以如此罕見，無非是因為很少有人知道怎么做。實際上，我從未停止過考慮混流式設計也許恰恰是首選設計方法。現在就拋棄我們現有的所有離心式和軸向式的壓縮機設計可能還為時過早，但這項工作肯定會讓我在未來考慮混流式的設計方案。
文章來源ConceptsNREC
展開 史上最全機械年譜！從公元前5000年至今
英國的史密斯建成螺旋槳推進的蒸汽機船“阿基米德”號。
美國的巴比特發明錫基軸承合金(巴氏合金)。
1840～1850年，英國的焦耳發現電熱當量，并用各種方式實測熱功當量。他的實驗結果導致科學界拋棄“熱質說”而公認熱力學第一定律。
1841年，英國的惠特沃斯設計英制標準螺紋系統。
法國的蒂莫尼埃設計和制造實用的雙線鏈式線跡縫紉機。
1842年，英國的內史密斯發明蒸汽錘。
1848年，中國的丁拱辰著《演炮圖說輯要》，其中的西洋火輪車、火輪船圖說是中國第一部關于蒸汽機、火車和輪船的論述。
1845年，美國的菲奇發明轉塔車床(六角車床)。
英國的湯姆森取得充氣輪胎專利。1888年以后分別由英國的鄧洛普和法國米西蘭橡膠公司用于自行車和汽車車胎。
英國的柯拜在廣州黃埔設立柯拜船舶廠，這是中國最早的外資機械廠。
1846～1851年，美國的豪取得曲線鎖式線跡縫紉機專利；美國的勝家設計制造了這種縫紉機，從此縫紉機被大量生產。
1847年，世界上最早的機械工程學術團體—英國工程師學會成立。
法國的波登制成波登管壓力表。
美國的霍伊發明輪轉(圓壓圓凸版)印刷機。
1848年，英國的開爾文(即湯姆森)創立熱力學溫標。
法國的帕爾默發明外徑千分尺。
德國發明萬能式軋機。
1849年，美國的弗朗西斯發明混流式水輪機。
1850～1851年，德國的克勞修斯和英國的開爾文分別提出熱力學第二定律。
1850～1880年，英國發明各種氣體保護無氧化加熱方法。
1856年，德國工程師協會成立。
英國的貝塞麥發明轉爐煉鋼。
1856～1864年，英國的西門子和法國的馬丁發明平爐煉鋼。
1857年，英國的貝塞麥發明連續鑄造方法。
1858年，美國的布萊克發明顎式破碎機。
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