双击式水轮机内部流动研究及转轮优化设计

发布时间：2019-08-29 12:22

【摘要】：我国水电资源潜力巨大,作为水力发电的一部分,小水电具有资源分担、生态负担小、技术简单、投资低的特点。双击式水轮机是小水电中被广泛应用的水轮机,它结构设计简单、制作容易、成本低、易于维修,汽蚀性能好及流量使用范围广。双击式水轮机的不同结构对水轮机的性能存很大的影响,国内外研究学者对诸多双击式水轮机的形状、参数及其对水轮机性能的影响研究都取得了一定的进展。本文把某双击式水轮机作为研究对象,应用ANSYS CFX仿真软件对水轮机内部的三维流动以及能量分布进行数值计算,在设计工况下对水轮机进行改型分析,同时采用优化方法设计得到叶片的最佳改变量,并对优化后的模型进行了三维非定常数值计算。本文的主要工作为如下几个方面的内容:首先,对双击式水轮机全流道进行建模和网格划分,并对所用网格进行无关性验证。在对双击式水轮机进行定常数值模拟的基础上,对双击式水轮机进行转轮改型设计,改变叶片的数目、叶片的直径比、叶片的头部安放角并进行CFD全流道数值计算,研究了转轮叶片数、叶片直径比、叶片安放角分别对双击式水轮机的流场特性与能量特性的影响。研究结果表明:当双击式水轮机叶片数为22,直径比为0.70,叶片安放角为153°时在效率和出力方面均有明显的提高,改善了转轮流道的流态,减少了水流能量损失,气液混合更加充分。第二,为了研究叶片数、叶片直径比和叶片安放角这三项转轮参数对双击式水轮机内部流动特性的综合影响,得到水轮机效率最优时的最佳参数组合,利用径向基函数(RBF)神经网络近似模型的方法来优化叶片参数。研究结果表明:优化设计后转轮的总体性能有不间程度的改善,水轮机转轮域流态得到改善,效率也得到明显的提高。第三,对优化后的转轮进行全流道非定常数值计算,研究了优化后的水轮机的转轮内部压力脉动特性分布规律。研究结果表明:两种优化方案在叶片进出口均存在主频为7.58Hz的低频压力脉动,采用的优化设计方案B涡流强度减弱的程度更明显,核心区域强度减少,且在水力稳定性方面有一定的改善。
【图文】：

结构模型,叶片进口角,基础模型,喷嘴结构

图 2-4 双击式水轮机结构模型Fig.2-4 Model cross-flow turbine structure4 中所示，该双击式水轮机模型的参数如下：径：D1=0.2m片直径比：D2/D1=0.67：Z=30n=642r/min喷嘴和机身的宽度：0.21m头：H=10m量：Qr =0.1m3/s叶片进出口角度的研究不受多因素的影响，喷嘴结构是基础模型开度处于全开的条件下为 0°，且叶片进口角1 27.95 ，，出流

几何形状,主要部件

(a)喷嘴 (b)转轮图 2-5 双击式水轮机的主要部件Fig.2-5 The main components of the cross-flow turbine.4.2 网格计算域的划分对计算域的流动计算分析的过程中，网格的划分及质量都会对结果有很大的影好的网格质量可以减少计算误差，提高计算的速度和稳定性，反之，质量较差的对计算结果的准确性产生不良的影响，甚至于发散计算的迭代过程。为了研究不规则区域中的流动问题，首先进行区域离散化，根据数值求解需求的部件进行网格划分，将模型实现离散化，把其中的控制方程转变为各个离散点方程组，求解然后把求解域分解成可得到精确解的适当数量的单元，生成计算网法[47]。这对有限元数值模拟分析非常重要，直接影响分析结果的精确性。有限元分利用简化的几何单元，近似逼近连续体，根据变形的协调条件来对其中的综合求解。一方面要准确描述各物体的几何形状，另一方面也要对变形梯度准确描述建立有限元网格模型。
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TK730.3

【参考文献】