超低水头轴流式水轮机反问题设计及水力特性研究

发布时间：2020-02-12 07:06

【摘要】：基于准三维的反问题设计方法,设计了可用于低水头可再生能源开发的超低水头轴流式水轮机的导叶和转轮叶片.导叶为等厚叶片,转轮叶片采用空化性能良好的NACA 66(MOD)翼型.设计中根据给定的进出口边环量分布及叶片表面载荷分布,在满足无撞击进口水流条件下,计算、调整叶片剖面翼型的拱度和安放角.为了验证设计方法的有效性,还对该轴流式水轮机进行了全流道的三维定常湍流计算.计算结果表明:流道内水流流动平顺,水力损失小,最高效率可以达到92.16%,且在较宽的水头变幅内,水轮机均具有良好的水力性能.
【图文】：

转轮叶片设计基于上述反问题设计方法，，对某超低水头轴流式水轮机的导叶和转轮进行了设计．导叶、转轮叶片均设计为固定式，且导叶为等厚叶片，转轮叶片采用空化性能好的ＮＡＣＡ６６（ａ＝０．８）翼型．水轮机设计参数：转速ｎ＝５００ｒ／ｍｉｎ，转轮直径Ｄ１＝０．５ｍ，轮毂直径ｄｈ＝０．２２ｍ，叶片数Ｚｒ＝４，导叶数Ｚｇ＝６，设计水头Ｈｒ＝４．０ｍ，设计流量Ｑｒ＝０．６１５ｍ３／ｓ．三维反问题方法设计得到的水轮机三维模型如图１所示．图１超低水头轴流式水轮机三维模型Ｆｉｇ．１Ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｕｌｔｒａ－ｌｏｗｈｅａｄａｘｉａｌ－ｆｌｏｗｗａｔｅｒｔｕｒｂｉｎｅ２流动三维湍流数值模拟及分析由于上述反问题设计方法是基于无粘有势流的，存在一定的局限性．在完成叶型设计后，通过三维湍流数值计算对设计得到的叶片进行了性能评价，并与反问题设计计算结果进行了对比，以进一步改进设计质量．２．１湍流数值模拟方法采用雷诺时均Ｎ－Ｓ方程和标准ｋ－ε湍流模型联立求解三维定常湍流场，用多重运动参考系模型（ＭＲＦ）处理动部件的旋转问题，近壁边界层处理采用标准壁面函数．方程组的压力项由二阶中心差分格式离散，其他项则采用二阶迎风差分格式．压力和速度变量解耦计算采用ＳＩＭＰＬＥＣ算法．采用混合网格划分网格单元．其中，以较细网格划分了导叶和转轮叶片区域，并就网格无关性进行了检查．２．２超低水头轴流式水轮机内部流动分析设计工况下导叶、转轮叶片压力及相对速度分布如图２～５所

第５期肖惠民，等：超低水头轴流式水轮机反问题设计及水力特性研究优化导叶出水边位置，提高转轮性能．图２设计工况导叶静压分布（单位：Ｐａ）Ｆｉｇ．２Ｓｔａｔｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｎｏｎｇｕｉｄｅｖａｎｅ（ｕｎｉｔ：Ｐａ）图３设计工况转轮叶片静压分布（单位：Ｐａ）Ｆｉｇ．３Ｓｔａｔｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｎｒｕｎｎｅｒｂｌａｄｅ（ｕｎｉｔ：Ｐａ）图４设计工况导叶速度分布（单位：ｍ／ｓ）Ｆｉｇ．４Ｖｅｌｏｃｉｔｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｎｇｕｉｄｅｖａｎｅ（ｕｎｉｔ：ｍ／ｓ）图５设计工况转轮叶片相对速度分布（单位：ｍ／ｓ）Ｆｉｇ．５Ｒｅｌａｔｉｖｅｖｅｌｏｃｉｔｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｎｒｕｎｎｅｒｂｌａｄｅ（ｕｎｉｔ：ｍ／ｓ）６８５

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本文编号：2578740