水泵水轮机内部流动及水力特性

发布时间：2017-03-28 07:00

  本文关键词：水泵水轮机内部流动及水力特性，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：可逆式水泵水轮机广泛应用于抽水蓄能电站，与水轮机和水泵串联的蓄能机组相比，其体积、重量大大减小，造价降低，因而得到了广泛应用。由于国内对水泵水轮机的研究起步较晚，设计及试验经验不足，导致研究不够深入全面，主要着重于对国外机型的引进、消化和再吸收，以及对水泵水轮机内部流动解析技术的研究，使得水泵水轮机的国产化设计水平较低。因此研究水泵水轮机的设计方法及其内部流动和水力特性具有良好的理论价值和应用前景。 本文根据水泵水轮机中水流流动的规律，提出了新型水泵水轮机轴对称蜗壳及转轮叶片的设计方法，设计出了蜗壳、固定导叶及转轮叶片的三维模型。论文应用CFD技术对水泵水轮机全流道进行了数值模拟计算，研究了其内部流动状况及水力性能，已达到应用数值模拟指导水泵水轮机设计的目的。 传统的水泵水轮机蜗壳设计方法是使固定导叶鼻端到尾端圆周方向均匀出流，，即每一段蜗壳出流流量相等，因此固定导叶出口水流环量(=RVu)是不相等的，流向活动导叶和转轮叶片的是非轴对称流。水泵水轮机经常需要在非设计工况点运行，这种非轴对称流会放大其S特性，且会放大活动导叶和转轮叶片间的动态干涉，严重危害水泵水轮机的安全稳定运行。本文根据蜗壳中水流流动的基本理论，提出了新型蜗壳的设计方法，该方法能够为高水头水泵水轮机转轮提供高度轴对称的入流。 进行水泵水轮机转轮叶片的设计时，首先需要研究水流在导水机构及叶轮中的流动状况，合理选择转轮流道及叶轮的几何参数和叶形。本文首先根据等面积法确定叶轮流道及各设计流面的轴面投影流线，确定叶片进水角，然后在保证转轮叶片为无撞击进口的基础上分析叶片在子午面上的几何特征，合理确定各设计流面的叶片翼型及其厚度变化，最后对翼型进行加厚得到需要的水泵水轮机叶片。 为了评价本研究中设计的蜗壳、导叶及转轮叶片的性能，为叶片的优化设计提供科学合理的数据，本文利用CFD技术对本设计的水泵水轮机水轮机工况全流道进行了数值模拟计算，得到了各部件内部压力场、速度场及能量的分布。通过解析发现实际流场分布合理，且与设计具有相关性，基本满足设计的要求，数值模拟可作为对叶片进行进一步优化设计的依据。
【关键词】：水泵水轮机 蜗壳 转轮设计 流道理论 数值仿真
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TK730.1
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 主要符号表11-12
• 第一章 绪论12-19
• 1.1 研究意义及目的12-15
• 1.2 国内外研究现状及分析15-17
• 1.3 主要研究内容17-18
• 1.4 本章小结18-19
• 第二章 高水头水泵水轮机引水、导水机构设计19-29
• 2.1 蜗壳内部流动理论19-21
• 2.1.1 传统蜗壳内部流动19-20
• 2.1.2 固定导叶入口水流环量 i20
• 2.1.3 固定导叶入口水流动量 dQVr20-21
• 2.2 蜗壳的水力设计21-25
• 2.2.1 设计理念21
• 2.2.2 设计流程21-25
• 2.3 导叶的水力设计25-27
• 2.3.1 设计要求26
• 2.3.2 导叶的布置26
• 2.3.3 导叶设计26-27
• 2.4 导叶的三维建模27-28
• 2.5 本章小结28-29
• 第三章 水泵水轮机转轮叶片设计29-52
• 3.1 水泵水轮机涡轮叶片设计流程29
• 3.2 设计采用的坐标系29
• 3.3 水泵水轮机设计基本参数的确定29-32
• 3.3.1 设计工况点参数29-31
• 3.3.2 水轮机的功率31
• 3.3.3 水轮机的效率31
• 3.3.4 水泵水轮机几何参数的确定31-32
• 3.4 转轮中水流运动的分析32-35
• 3.4.1 叶片子午面投影及翼型截面32-34
• 3.4.2 转轮内水流速度分析34-35
• 3.5 转轮叶片设计35-50
• 3.5.1 转轮进口流动状况35-36
• 3.5.2 流道出口理论36-37
• 3.5.3 转轮叶片翼型骨线形状设计37-45
• 3.5.4 翼型骨线加厚45-48
• 3.5.5 转轮叶片三维造型48-50
• 3.6 本章小结50-52
• 第四章 水泵水轮机水轮机工况内部流动及水力特性52-70
• 4.1 CFD 计算方法及物理模型介绍52-58
• 4.1.1 水轮机 CFD 计算方法介绍52-53
• 4.1.2 水轮机的基本方程53
• 4.1.3 水泵水轮机模型及其网格划分53-56
• 4.1.4 湍流模型56-57
• 4.1.5 边界条件57-58
• 4.2 计算区域及工况的选取58
• 4.2.1 计算区域58
• 4.2.2 计算工况58
• 4.3 残差分析58-59
• 4.4 水泵水轮机内部物理量计算公式59-62
• 4.4.1 过流面积和流量59
• 4.4.2 能量的计算59-60
• 4.4.3 速度和能量的无量纲化60-62
• 4.5 水轮机工况（最优工况）三维湍流计算62-68
• 4.5.1 最优工况点计算结果62-67
• 4.5.2 偏工况点计算结果67-68
• 4.6 本章小结68-70
• 总结与展望70-72
• 参考文献72-76
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果76-77
• 致谢77-78
• 附件78

【参考文献】

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本文编号：271807