高水头贯流式水轮机水力性能优化及试验测试研究

发布时间：2020-11-03 16:58

　　 灯泡贯流式水电站是开发低水头水力资源的较好方式,而且效率高投资低,近年来发展较快。相对于低水头贯流式水轮机,高水头贯流式水轮机具有水头变幅荡涤,内部压力、速度等参数梯度变化大等特征,运行稳定性差,水力开发难度大。本文以具体的水电站工程为背景,依次开展了水电站水轮机的选型、模型机组水力开发、改型及水轮机模型试验等工作,为工程提供一个可行的技术方案。首先,目标电站运行水头范围为9.4m至23.36m,经过多方案的对比分析,考虑到单位流量及转速、转轮直径、水力效率、工程投资等因素,优先考虑5叶片的灯泡贯流式水轮发电机组,机组台数为两大一小三台机方案,两种机型的吸出高度分别为-5.8m与-3.8m。其次,根据贯流式水轮机水力开发的技术特点,进行水轮机的水力开发设计。转轮设计过程中需要注意叶片出口段曲率变化尽量平缓,调整叶片进水边的安放角和叶片扭角的搭配从而抑制脱流和空化。设计计算结果表明,最优工况下,转轮叶片压力均匀变化,然而叶片轮毂附近出现低压区,容易形成空化。进一步,采用参数样条曲面对转轮叶片进行了改型,改型后的最高效率提高了0.7%,叶片头部入流条件、尾水管内部流动等均有所改善。最后,开展水轮机能量实验、空化试验、压力脉动实验以及飞逸试验研究。实验结果显示:整个运行范围内,试验模型水轮机具有宽广的高效率区,水轮机原型最高效率为95.14%,相应的模型水轮机最高效率为93.83%。在主要运行水头范围内,临界空化裕量均大于1.23,压力脉动混频比值AH/H%均小于3%。此外,非协联工况下的最大单位飞逸转速均小于保证值。水轮机模型试验结果表明,所开发设计的贯流式水轮机,具有较优的性能,各项技术参数指标均满足工程技术要求。
【学位单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TV136.1
【部分图文】：

型试验的优势，最终设计出适于电站运行条件的水轮机。灯泡贯流式水轮机的水力设计与模型试验，是水轮机设计的最重要部分，在此过程中需要重点关注几个问题：一是导叶与桨叶之间协联工况的合理匹配，设计过程中应行多方案的论证，确定最优的协联工况；二是合理调整桨叶进水边位置以及安放角，以适当拓宽转轮运行范围。此外，应该注意转轮与尾水管之间的匹配关系以及转轮出口水流对尾水管内部流动的影响。3.1.1 转轮水力设计转轮是水轮机中的能量转换部件，其性能的优劣直接决定着水轮机的水力性能乃至电站的经济效益。转轮内部为复杂的三维湍流流动，并伴随着二次流、流动分离等，计中必须考虑叶片安放角与叶片扭角之间的关系、出口段曲率的变化对压力及速度分布的影响等因素。贯流式水轮机转轮的设计过程首先为设计叶片进水边形状，然后修改转轮截面曲线分布，此外设计过程中应该注意截面曲线的曲率保证叶片的光滑性。图 3-1 为按照上述水力设计准则设计的贯流式水轮机转轮叶片等截面线及三维建实体图。

西安理工大学硕士论文3.1.2 导叶及尾水管水力设计活动导叶提供了贯流式转轮所需的全部环量，并且需要满足关闭密合的要求。一活动导叶按照有势流设计，沿导叶高度的导叶形状及出水角不同，然而，现代设计中有不按有势流设计，即导叶沿高度方向各断面的形状相同，有利于加工且更易闭合。图 3-2 为活动导叶不同高度的断面型线以及三维实体结构示意图。由于活动导叶构相对简单，设计过程中采用三个断面来描述其几何特征。数值计算以及模型试验中需要合理设置活动导叶与桨叶之间的协联关系，以保证了转轮进口正确的流动条件。

计算域的离散是网格生成的重要部分，网格划分是将计算域离散化为一系列控制体积，然后在这些控制体上求解质量、动量、能量以及组分等通用守恒方程。网格按照其节点分布规律一般分为三类，结构化网格、非结构化网格以及混合网格。数值计算中，在沿着结构方向的流动中，结构化网格在提高网格正交性及网格质量上比较有优势，能用更少的单元获得高精度的结果，且在减少数值扩散上具有一定的优势。本文采用多域结构化网格对计算模型进行网格划分。图 3-3 为本次计算的网格划分示意图，网格总数约为 640 万，数值计算发现固壁面的最大 y plus 值在 60 附近，基本满足计算要求。（a）进口段 （b）活动导叶
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本文编号：2868843