混流式水轮机尾水管流态改善的数值研究

发布时间：2020-07-26 08:02

【摘要】：混流式水轮机是重要的水力发电设备,其复杂多变的内部流态是造成机组振动的原因之一,而尾水管作为水轮机的出水部件,管内流态的平稳对于机组安全正常运行有着积极的影响。本文采用SST湍流模型对某混流式模型水轮机进行了全流道三维定常与非定常模拟。针对尾水管中的复杂流态,本文提出了三种改善措施,分别是泄水锥轴向加长、主轴中心孔补水、弯肘段安装导流板。为了研究三种改善措施在不同的水轮机运行工况起到的尾水管流态改善效果,本文选择了最优工况点,小流量工况点,大流量工况点,部分负荷工况点与高水头工况点等作为计算工况点,并且依据泄水锥的加长长度、主轴中心孔补水的补水量、弯肘段有无安装导流板,设定了不同的计算方案。根据选择的工况与设定的方案,利用CFD模拟方法对各种方案进行了数值计算,分析了不同的改善措施在不同工况下尾水管流线的平稳程度,尾水管涡流粘度的强弱,尾水管各个监测点压力脉动幅值与频率的变化以及每个工况下采用不同尾水管改善措施后水轮机效率变化的情况。数值计算表明:(1)泄水锥加长在最优工况与高水头工况下对尾水管流态影响不是特别明显,只对尾水管局部流体起到微弱改善效果;在部分负荷工况与小流量工况下,泄水锥加长可以改善尾水管流态,有效地降低了直锥段和弯肘段由偏心涡带引起的压力脉动幅值,从而对机组减振有了积极的影响;根据各监测点的压力脉动减小的幅度来说,该水轮机将泄水锥加长至与转轮下环齐平的位置效果最佳。(2)主轴中心孔补水在考虑补水量引起的容积损失时,在最优工况下随补水量的增加水轮机效率近似呈线性规律下降,说明过多的补水量会减小机组的出力。经分析尾水管在不同补水量下的横截面压力、各监测面的涡流粘度、尾水管空腔涡带,得出在不同的工况合理补水量也不相同,很多工况的合理补水量都要超过2.0%Q,补水量太小起不到补水效果,补水量太大会影响机组效率,总体而言当补水量Qad=2.0%Q时达到补水效果。从最优工况与部分负荷工况的未补水与补水Qad=2.0%Q两方案非定常计算结果中,也发现当补水量Qad=2.0%Q时部分负荷工况下的尾水管各个监测点压力脉动幅值都有不同程度的降低,而在最优工况时压力脉动变化幅度不明显。(3)部分负荷工况下尾水管弯肘段安装导流板后对弯肘段与扩散段的水流有稳流效果,对直锥段的涡带有微小的减弱作用,水轮机的效率变化不是很明显,不会影响正常的机组出力。综上,三种改善措施都对尾水管的局部流态起到改善效果;当机组在部分负荷工况运行时,可以采取加长泄水锥,弯肘段安装导流板以及选用合理的补水量进行主轴中心孔补水都可以改善尾水管流态,降低压力脉动幅值,这对机组的稳定性有着重要意义。
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK733.1
【图文】：

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图 2-1 蜗壳模型图 2-2 蜗壳网格单元图Fig.2-1 spiral model Fig.2-2 spiral grid diagram水流在蜗壳内不仅围绕蜗壳作圆周运动，还向着水轮机轴心作径向运动，使得水且轴对称的进入导叶流道内，导叶均布在蜗壳与转轮之间的环形空间中，当导叶围的中轴线旋转一定的角度时，意味着导叶开度发生了相应变化，从而改变了水轮机和出力。计算不同的工况得选择不同的导叶开度，图 2-3 与 2-4 分别是导叶模型（定导叶与活动导叶）与网格单元图。图 2-3 导叶模型图 2-4 导叶网格单元图Fig.2-3 guide vane model Fig.2-4 guide vane grid diagram水流通过导叶机构获得必要的水流方向和速度后进入转轮，水流进入转轮后，

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机的运行过程，图 2-1 为蜗壳的几何模型。依据建好的几何模型进行网格计划，完整的蜗壳网格单元图。图 2-1 蜗壳模型图 2-2 蜗壳网格单元图Fig.2-1 spiral model Fig.2-2 spiral grid diagram水流在蜗壳内不仅围绕蜗壳作圆周运动，还向着水轮机轴心作径向运动，使得水且轴对称的进入导叶流道内，导叶均布在蜗壳与转轮之间的环形空间中，当导叶围的中轴线旋转一定的角度时，意味着导叶开度发生了相应变化，从而改变了水轮机和出力。计算不同的工况得选择不同的导叶开度，图 2-3 与 2-4 分别是导叶模型（定导叶与活动导叶）与网格单元图。

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