200米水頭段混流式水輪機復(fù)合轉(zhuǎn)輪水力模型方案開發(fā)研究.pdf

1、近年來,計算流體動力學(xué)----CFD技術(shù)已日趨成熟,它在水輪機的模型開發(fā)研究和內(nèi)部流場分析方面的應(yīng)用越來越廣泛。CFD數(shù)值模擬能夠較準(zhǔn)確地獲得水輪機內(nèi)部流場分布及各過流部件內(nèi)部流動狀態(tài)信息,為研究水輪機水力模型的水力性能提供了技術(shù)支撐,是成功設(shè)計出高性能水輪機模型和對現(xiàn)有水輪機進(jìn)行優(yōu)化的有效手段。轉(zhuǎn)輪是水輪機的關(guān)鍵部件,它直接將水流能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)的機械能。轉(zhuǎn)輪設(shè)計的好壞對水輪機的過流能力、水力效率、汽蝕性能、工作穩(wěn)定性及對變工況的適應(yīng)性

2、等有很大影響,直接關(guān)系到整個機組能否滿足工作要求,能否把水能充分地利用起來。而具有長短葉片的混流式水輪機,當(dāng)其在轉(zhuǎn)速、流量和水頭相匹配的情況下,具有使用水頭范圍廣、高效率區(qū)寬、出力大、運行平穩(wěn)、空化性能好等優(yōu)點,能在很大程度上解決中高水頭機組的效率、空化、磨損以及振動等諸多難題,具有極其廣闊的應(yīng)用前景和潛力。為此,開發(fā)出性能優(yōu)良的中高水頭混流式水輪機復(fù)合轉(zhuǎn)輪,能更加充分、有效地利用水力資源,把潛在的資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化成經(jīng)濟效益和社會效益,具有

3、一定的學(xué)術(shù)價值和現(xiàn)實意義。根據(jù)我國西部水力資源落差較大的特點,本文針對180m-220m水頭段的混流式水輪機復(fù)合轉(zhuǎn)輪進(jìn)行設(shè)計與優(yōu)化,運用CFD流場仿真技術(shù)對混流式水輪機的內(nèi)部流動進(jìn)行探討研究,最終開發(fā)出一個性能優(yōu)良的混流式水輪機復(fù)合轉(zhuǎn)輪的水力模型方案。
　　 本研究主要內(nèi)容包括：⑴參照水頭和比轉(zhuǎn)速相近、性能優(yōu)良的已有轉(zhuǎn)輪水力模型的幾何參數(shù),采用ω=0的二元理論設(shè)計方法,對適用于180m-220m水頭段混流式水輪機復(fù)合轉(zhuǎn)輪進(jìn)行水力

4、設(shè)計,得到了復(fù)合式轉(zhuǎn)輪的長葉片翼型,并在此基礎(chǔ)上應(yīng)用長短葉片包角不同的原理,設(shè)計出了短葉片翼型;同時對其它過流部件進(jìn)行了水力設(shè)計計算。⑵借助Pro/E對已設(shè)計出的混流式水輪機復(fù)合轉(zhuǎn)輪進(jìn)行全流道三維實體造型;用ICEM對實體造型劃分網(wǎng)格,并解決了網(wǎng)格劃分階段易出現(xiàn)有洞的問題。對初始設(shè)計的水力模型方案進(jìn)行數(shù)值模擬,通過分析數(shù)值模擬的結(jié)果對相關(guān)部件的幾何尺寸做了修整和改進(jìn)。⑶基于數(shù)理統(tǒng)計和正交理論,對影響復(fù)合式轉(zhuǎn)輪短葉片設(shè)計的葉片數(shù)目、長短葉

5、片包角比值以及周向偏置角度三個因素,根據(jù)各因素不同水平條件,運用正交試驗的方法設(shè)計了三因素四水平的16種不同短葉片型式的復(fù)合式轉(zhuǎn)輪方案,并對L16(43)正交方案的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行極差分析,得出各因素水平對水輪機性能影響的主次順序;從而確定出水輪機性能最優(yōu)時長短葉片數(shù)目,短葉片周向偏置角度和長短葉片的包角比值的最佳組合方案。⑷對匹配最佳的復(fù)合轉(zhuǎn)輪水輪機的大流量工況、設(shè)計工況、小流量工況進(jìn)行模擬分析,得到各過流部件內(nèi)部詳細(xì)流動信息,結(jié)果表