基于数值模拟改进的水泵水轮机S特性曲线
发布时间：2021-07-24 08:43
为改进水泵水轮机S特性曲线,开展了水泵水轮机设计及数值模拟研究.首先,设计了多个等长叶片转轮,以研究叶片安放角对水轮机工况效率和S特性曲线的影响;然后,选取一高效率等长叶片转轮,并应用长短叶片设计,以研究其对S特性曲线的影响.结果表明:选取较小的叶片安放角可增加水轮机工况的效率,但S特性更加突出;而应用长短叶片设计虽然会导致设计工况下的水力效率有所下降,但是S特性得到明显改进.
【文章来源】：华中科技大学学报(自然科学版). 2020,48(11)北大核心EICSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
水泵水轮机转轮设计流程表1设计转轮的几何参数0)的运行参数和几何参数输入三维流体机械设计软
第11期胡金弘，等：基于数值模拟改进的水泵水轮机S特性曲线·111·1.2网格划分及数学模型网格划分和数值模拟均基于计算流体力学软件STAR-CCM+．整个计算域包括蜗壳、导水机构、转轮和尾水管，具体如图2所示．对每个转轮选取活动导叶开度为23°，计算从水轮机工作区至水轮机制动工况区的7个工况点，包括OP1(49L/s，设计工况)、OP2(44L/s，约80%出力)、OP3(39L/s，约60%出力)、OP4(34L/s，约40%出力)、OP5(24L/s，约20%出力)、OP6(14L/s，近飞逸点)和OP7(4L/s，水轮机制动区)．图2计算流道示意图边界条件设置为：蜗壳进口处为流量进口，尾水管出口处为压力出口，平均静压为25.6kPa，与基准转轮模型试验的下游边界条件一致，固体壁面为无滑移边界，水泵水轮机转轮为旋转区域，给定额定转速1×103r/min．各计算域之间通过通用网格交界面进行耦合．所有计算均采用非定常计算，对每一个工况点计算15个转动周期，并根据最后5个周期的结果取平均，以获取力矩、水头等参数．时间步长设置为0.5ms，对应每个时间步转轮旋转3°．内迭代步数设为15步，以保证在设计工况下每个时间步长的残差达到1×10-3．求解过程中，采用SIMPLE算法对速度场和压力场解耦，时间和空间的插值精度均为二阶精度，选取SSTk-ω模型(k为湍动能，ω为单位湍动能耗散率)计算内流场特性．网格划分如图3所示．对包括蜗壳、导水机构和尾水管等静止部件内部流道采用切割体网格，对转轮流道采用多面体网格，其中：切割体网格质量较高且生成速度快；而多面体网格在单个网格单元内拥有较多的计算节点，对于复杂几何壁面具有较好的计算稳定性．在边界层处理上，共划?
·112·华中科技大学学报（自然科学版）第48卷达到最大值19.60%．这表明随着流量逐渐减小，计算收敛性逐渐变差；同时也暗示随着工况点逼近特性曲线的拐点，机组愈发难以稳定运行．随着工况点由OP5向OP7变化，机组历经飞逸点和水泵制动区，σ(H)/H逐渐减小．相似的规律也出现在σ(nED)与σ(QED)的计算结果中．总体而言，计算结果具有合理的规律性．表2初选转轮各工况点水头相对标准差、单位转速标准差及单位流量标准差(2.59×106网格节点)工况点(σ(H)/H)/%σ(nED)/10-3σ(QED)/10-3OP10.300.400.40OP23.033.803.30OP38.1910.808.10OP413.7218.5012.20OP519.6026.9012.50OP68.2811.003.00OP76.989.000.702计算结果及分析2.1等长叶片参数敏感性结果在等长叶片前提下，以初选转轮为基础，研究β2和β1对水轮机工况效率和特性曲线的影响，并将结果展示于图5和图6，图中η为水轮机工况效率．为便于区分，用红色突出β2的影响，用蓝色突图5叶片安放角对水轮机工况效率的影响图6叶片安放角对S特性曲线的影响出β1的影响，用黄色表示初选和最终优选的等叶片转轮(编号7)，并用黑色表示基准转轮．观察图5可知：随着β2从29.2°减小到14.2°，机组在低水头条件下的效率逐渐提升，高效率区逐渐变宽广；而当β2从19.2°减小至14.2°时，设计工况点的效率不再显著提升．在β1从39.1°减小到18.6°过程中，机组在低水头条件下的效率逐渐降低，高效率区逐渐变窄，但在设计点的效率逐渐提高．这
【参考文献】：
期刊论文
[1]水泵水轮机转轮加装短叶片前后的流动特性对比[J]. 宁楠,赖喜德,李萍. 水电能源科学. 2019(09)
[2]短叶片低压边对水泵水轮机空化性能的影响[J]. 宁楠,赖喜德,李萍. 水力发电学报. 2019(05)
[3]长短叶片转轮水泵水轮机在清远抽水蓄能电站中的应用[J]. 杜荣幸,王庆,榎本保之,陈泓宇. 水电与抽水蓄能. 2016(05)
[4]哈电混流式水泵水轮机长短叶片转轮水力研发及进展[J]. 王焕茂,覃大清,魏显著,赵越,陈元林. 水电与抽水蓄能. 2016(03)
[5]带分流叶片离心叶轮机械研究进展[J]. 张金凤,袁野,叶丽婷,张伟捷. 流体机械. 2011(11)
本文编号：3300330
【文章来源】：华中科技大学学报(自然科学版). 2020,48(11)北大核心EICSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
水泵水轮机转轮设计流程表1设计转轮的几何参数0)的运行参数和几何参数输入三维流体机械设计软
第11期胡金弘，等：基于数值模拟改进的水泵水轮机S特性曲线·111·1.2网格划分及数学模型网格划分和数值模拟均基于计算流体力学软件STAR-CCM+．整个计算域包括蜗壳、导水机构、转轮和尾水管，具体如图2所示．对每个转轮选取活动导叶开度为23°，计算从水轮机工作区至水轮机制动工况区的7个工况点，包括OP1(49L/s，设计工况)、OP2(44L/s，约80%出力)、OP3(39L/s，约60%出力)、OP4(34L/s，约40%出力)、OP5(24L/s，约20%出力)、OP6(14L/s，近飞逸点)和OP7(4L/s，水轮机制动区)．图2计算流道示意图边界条件设置为：蜗壳进口处为流量进口，尾水管出口处为压力出口，平均静压为25.6kPa，与基准转轮模型试验的下游边界条件一致，固体壁面为无滑移边界，水泵水轮机转轮为旋转区域，给定额定转速1×103r/min．各计算域之间通过通用网格交界面进行耦合．所有计算均采用非定常计算，对每一个工况点计算15个转动周期，并根据最后5个周期的结果取平均，以获取力矩、水头等参数．时间步长设置为0.5ms，对应每个时间步转轮旋转3°．内迭代步数设为15步，以保证在设计工况下每个时间步长的残差达到1×10-3．求解过程中，采用SIMPLE算法对速度场和压力场解耦，时间和空间的插值精度均为二阶精度，选取SSTk-ω模型(k为湍动能，ω为单位湍动能耗散率)计算内流场特性．网格划分如图3所示．对包括蜗壳、导水机构和尾水管等静止部件内部流道采用切割体网格，对转轮流道采用多面体网格，其中：切割体网格质量较高且生成速度快；而多面体网格在单个网格单元内拥有较多的计算节点，对于复杂几何壁面具有较好的计算稳定性．在边界层处理上，共划?
·112·华中科技大学学报（自然科学版）第48卷达到最大值19.60%．这表明随着流量逐渐减小，计算收敛性逐渐变差；同时也暗示随着工况点逼近特性曲线的拐点，机组愈发难以稳定运行．随着工况点由OP5向OP7变化，机组历经飞逸点和水泵制动区，σ(H)/H逐渐减小．相似的规律也出现在σ(nED)与σ(QED)的计算结果中．总体而言，计算结果具有合理的规律性．表2初选转轮各工况点水头相对标准差、单位转速标准差及单位流量标准差(2.59×106网格节点)工况点(σ(H)/H)/%σ(nED)/10-3σ(QED)/10-3OP10.300.400.40OP23.033.803.30OP38.1910.808.10OP413.7218.5012.20OP519.6026.9012.50OP68.2811.003.00OP76.989.000.702计算结果及分析2.1等长叶片参数敏感性结果在等长叶片前提下，以初选转轮为基础，研究β2和β1对水轮机工况效率和特性曲线的影响，并将结果展示于图5和图6，图中η为水轮机工况效率．为便于区分，用红色突出β2的影响，用蓝色突图5叶片安放角对水轮机工况效率的影响图6叶片安放角对S特性曲线的影响出β1的影响，用黄色表示初选和最终优选的等叶片转轮(编号7)，并用黑色表示基准转轮．观察图5可知：随着β2从29.2°减小到14.2°，机组在低水头条件下的效率逐渐提升，高效率区逐渐变宽广；而当β2从19.2°减小至14.2°时，设计工况点的效率不再显著提升．在β1从39.1°减小到18.6°过程中，机组在低水头条件下的效率逐渐降低，高效率区逐渐变窄，但在设计点的效率逐渐提高．这
【参考文献】：
期刊论文
[1]水泵水轮机转轮加装短叶片前后的流动特性对比[J]. 宁楠,赖喜德,李萍. 水电能源科学. 2019(09)
[2]短叶片低压边对水泵水轮机空化性能的影响[J]. 宁楠,赖喜德,李萍. 水力发电学报. 2019(05)
[3]长短叶片转轮水泵水轮机在清远抽水蓄能电站中的应用[J]. 杜荣幸,王庆,榎本保之,陈泓宇. 水电与抽水蓄能. 2016(05)
[4]哈电混流式水泵水轮机长短叶片转轮水力研发及进展[J]. 王焕茂,覃大清,魏显著,赵越,陈元林. 水电与抽水蓄能. 2016(03)
[5]带分流叶片离心叶轮机械研究进展[J]. 张金凤,袁野,叶丽婷,张伟捷. 流体机械. 2011(11)
本文编号：3300330
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