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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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(yùn)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)。

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。

這篇論文的基本前提是通過將離心式、混流式、軸流式壓縮機(jī)的布局視為流量“負(fù)荷”的函數(shù)來找到最佳設(shè)計點(diǎn)。多年來，很多論文都是以此為思路展開了研究。多種不同的方法按照旋轉(zhuǎn)機(jī)械的不同種類（泵、壓縮機(jī)、渦輪）和不同的設(shè)計形式（離心式、混流式、軸流式）被開發(fā)出來。針對不同類型的渦輪機(jī)械(泵、壓氣機(jī)、渦輪)和不同類型的設(shè)計(徑向、混合、軸向)開發(fā)了不同的方法。這些方法在設(shè)計的初始階段是有效的，因此被廣泛使用。

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(diǎn)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.

導(dǎo) 言 本文針對余能回收水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片的參數(shù)化設(shè)計進(jìn)行研究，克服保角變換法設(shè)計過程繁瑣以及Bezier曲線查看參數(shù)分布不直觀的缺點(diǎn)。首先建立轉(zhuǎn)輪葉片的參數(shù)化表達(dá)式，然后將軸面流線離散，對微元段進(jìn)行計算得到葉片骨線的參數(shù)分布曲線，控制參數(shù)分布曲線便于根據(jù)CFD計算結(jié)果完成改型，最后通過試驗(yàn)檢驗(yàn)余能回收水輪機(jī)的性能。

Silva J[4]利用CFX+ANSYS Mechanical模塊，實(shí)現(xiàn)某壓縮機(jī)的吸氣閥片流固耦合仿真，并對其在不同開度下的閥片應(yīng)力情況進(jìn)行了分析。武守飛、韓寶坤[5-8]等人使用STAR-CD及Fluent實(shí)現(xiàn)了壓縮機(jī)閥組的流固耦合仿真，并對閥片運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行了分析。譚琴、宋明毅[9-12]等人則對轉(zhuǎn)子式和微型壓縮機(jī)的簧 片閥組進(jìn)行了流固耦合仿真分析，得到了不同工況下閥片的運(yùn)動規(guī)律。

軸流式水輪機(jī)CFX分析 AxialIni_001.res

摘要：為揭示旋葉式壓縮機(jī)排氣閥片振動特性，建立閥片單質(zhì)點(diǎn)模型。①研究排氣工況、幾何參數(shù)與閥片振動位移的關(guān)系，得到升程限制器改進(jìn)結(jié)構(gòu)；而后，建立改進(jìn)閥片排氣結(jié)構(gòu)流固耦合模型，研究閥片流動特性；②基于流場湍流參數(shù)建立排氣閥片寬頻噪聲模型，研究改進(jìn)閥片噪聲分布規(guī)律，借助旋葉式壓縮機(jī)噪聲實(shí)驗(yàn)臺，對改進(jìn)前后壓縮機(jī)整機(jī)噪聲進(jìn)行測試。

-FORTUNA二級水電站 弗朗西斯水輪機(jī)是一種結(jié)合了徑向和軸向流動的內(nèi)流式反擊式水輪機(jī)，是當(dāng)今最常用的水輪機(jī)形式。

現(xiàn)代發(fā)電用水輪機(jī)可以分為兩類，沖擊式水輪機(jī)和反擊式水輪機(jī)，沖擊式水輪機(jī)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(jī)則由水流的動能和壓力能共同做功。

此種方式缺點(diǎn)：①由于尾水錐管、底環(huán)四周無混凝土，機(jī)組運(yùn)行時，尾水管處的振動、噪音較大；②缺少了混凝土支承，底環(huán)的整體剛度設(shè)計要加強(qiáng)；③設(shè)置專用裝拆、運(yùn)輸工具。c.中拆方式中拆方式是指水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)掄、中間軸、頂蓋、主軸等部件，可以分別由水輪機(jī)層的中拆廊道拆出并進(jìn)行檢修的拆裝方式。

3、水輪機(jī)的空化 不同水頭、導(dǎo)葉開度下的空化狀態(tài) 空化-效率曲線計算 空化引起的壓力脈動 ANSYS軟件可以進(jìn)行水輪機(jī)全流道空化流計算，得到內(nèi)部兩相空化流場的詳細(xì)情況，預(yù)測水輪機(jī)的空化性能。

最終，從效率和導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、葉片、尾水管等水輪機(jī)關(guān)鍵部件等CFD計算結(jié)果來看，效率符合水輪機(jī)外特性曲線，在小開度下易脫流并產(chǎn)生卡門渦街。

在考慮風(fēng)力機(jī)、網(wǎng)衣和水輪機(jī)載荷的情況下，結(jié)合本文中海上牧場的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和有關(guān)文獻(xiàn)研究，設(shè)計了六點(diǎn)式系泊方案，設(shè)計了純錨鏈系泊方案和組合式系泊方案2種系泊形式并進(jìn)行了性能對比分析。

最終，從效率和導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、葉片、尾水管等水輪機(jī)關(guān)鍵部件等CFD計算結(jié)果來看，效率符合水輪機(jī)外特性曲線，在小開度下易脫流并產(chǎn)生卡門渦街。

由于水輪機(jī)體型大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、具有許多運(yùn)動部件及葉片，內(nèi)部產(chǎn)生的流場十分復(fù)雜，因此目前通常使用計算流體力學(xué)CFD仿真的方法來研究水輪機(jī)的內(nèi)部流場情況。本案例使用CFD仿真軟件，在Francis-99水輪機(jī)尾水管內(nèi)以數(shù)值方式重建旋轉(zhuǎn)渦帶，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證。用于驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)結(jié)果由挪威科技大學(xué)搭建的Francis-99水輪機(jī)實(shí)驗(yàn)臺架公開案例提供。

在考慮風(fēng)力機(jī)、網(wǎng)衣和水輪機(jī)載荷的情況下，結(jié)合本文中海上牧場的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和有關(guān)文獻(xiàn)研究，設(shè)計了六點(diǎn)式系泊方案，設(shè)計了純錨鏈系泊方案和組合式系泊方案2種系泊形式并進(jìn)行了性能對比分析。

一、基于Star-ccm+的旋轉(zhuǎn)水輪機(jī)數(shù)值模擬導(dǎo)讀：STAR-CCM+是一款當(dāng)前比較流行的計算流體力學(xué)軟件，該軟件在旋轉(zhuǎn)機(jī)械領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用場景，本文基于STAR-CCM+軟件中的運(yùn)動參考系的方法來實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)水輪機(jī)的數(shù)值模擬，過程涉及變參考系旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)方法，基于VOF方法的水力空化模擬方法以及相關(guān)后處理方法等。