HL638-WJ-84水轮机内流分析及增容改造

发布时间：2017-08-17 18:47

  本文关键词：HL638-WJ-84水轮机内流分析及增容改造

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【摘要】：通过更换新型转轮来增容改造,预期性能和增容效果明确,是水轮机增容改造的首选方案。无新型转轮可替代时,对大型机组而言可以委托研发部门研发新型水力模型,而中小型机组受制于昂贵的研发成本只能选择放弃。近年来,CFD软件的应用日益普及,为预测水轮机性能提供了良好的数值模拟平台。青海省唯哇水电站丰水季节存在大量弃水现象,1#机组水轮机额定出力远小于其发电机额定出力,水能资源和机组条件提供了增容改造的必要性和可能性,本文根据其HL638-WJ-84水轮机增容改造的需求,提出了减少叶片数且切割叶片出水边来增加水轮机过流能力的改型方案,尝试了用CFD数值模拟分析方法来预估改型效果,以期达到用CFD技术比较准确地指导增容改造工作之目的。根据计算结果,在最优工况下,改造后转轮效率会降低1%,出力会增加139kW；在限制工况下,出力会提高362kW,说明改造后转轮出力比改造前会增加16.35%,可以达到很好的增容效果。据此方案增容改造,机组实际增容达23%。由于多种因素影响,水轮机最大出力CFD计算结果比实际改造结果偏小近7%,但这已表明用CFD模拟计算结果可以半定向指导中小型水轮机增容改造工作,当然也表明还需进一步研究提高模拟精度的方法。虽然无法得到水轮机全特性试验曲线,但对运行于唯一单位转速下的径流式水电站而言,已能够满足实际增容工作需求。本文分别选取了水轮机四个典型工况点(小流量工况、最优工况、限制工况和大流量工况),采用标准k-ε紊流模型以及SIMPLEC算法进行数值模拟。计算表明：限制工况下改造前叶片进水边背面靠近上冠和上环处均存在局部高压,叶片背面靠近出口处存在局部低压,改造后进口边背面局部高压消失但出口边背面局部低压面积有所增加,说明改造后叶片背面出口处的空化增强空蚀性能有所下降；改造后水轮机最优效率区向大流量区域偏移,改造后水轮机过流能力增大。
【关键词】：转轮 增容改造 叶片数 切割叶片 数值模拟
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK730
【目录】：

• 摘要7-8
• Abstract8-10
• 1 绪论10-16
• 1.1 国内外混流式水轮机改型的现状及发展10-11
• 1.2 水轮机转轮改型的必要性和可行性11-13
• 1.2.1 必要性分析11-12
• 1.2.2 可行性分析12-13
• 1.3 水轮机转轮改型的限制条件及新转轮选择原则13-14
• 1.4 本课题研究的主要内容14-15
• 1.5 本课题的研究意义15-16
• 2 水轮机内水流数学模型CFD基本理论16-33
• 2.1 计算流体动力学基础16-18
• 2.2 基于数值试验的水轮机改造的软件平台18-19
• 2.2.1 流场分析软件--FLUENT18-19
• 2.2.2 ICEM-CFD网格划分软件19
• 2.3 混流式水轮机数值模拟的控制方程及离散方法19-21
• 2.3.1 水轮机内部流动的基本方程19-20
• 2.3.2 基于有限体积法的控制方程的离散20-21
• 2.4 混流式水轮机流场数值计算常用的湍流模型21-26
• 2.4.1 标准k-ε模型22-23
• 2.4.2 RNG模型23-24
• 2.4.3 Realizable模型24-26
• 2.5 流场计算算法26-29
• 2.5.1 SIMPLE算法26-27
• 2.5.2 SIMPLER算法27-28
• 2.5.3 SIMPLEC算法28-29
• 2.6 水轮机全流道三维数值模拟的边界条件29-32
• 2.6.1 入口边界条件29-30
• 2.6.2 出口边界条件30
• 2.6.3 压力边界条件30
• 2.6.4 固壁边界条件30-31
• 2.6.5 耦合面条件31-32
• 2.7 本章总结32-33
• 3 几何模型建立及网格划分33-46
• 3.1 Pro/E软件的简介33-34
• 3.2 混流式水轮机各个过流部件的几何建模34-38
• 3.2.1 蜗壳导叶的几何建模34-35
• 3.2.2 转轮的几何建模35-36
• 3.2.3 尾水管的几何建模36-38
• 3.3 网格划分38-42
• 3.3.1 网格分类38-42
• 3.3.2 网格质量评价标准42
• 3.4 混流式水轮机各过流部件网格生成42-46
• 3.4.1 蜗壳导叶的网格划分42-43
• 3.4.2 转轮的网格划分43-44
• 3.4.3 尾水管网格划分44-46
• 4 改造前后的水轮机内部流动计算及性能分析46-67
• 4.1 水轮机增容改造方案46-49
• 4.1.1 原型水轮机主要技术参数46
• 4.1.2 混流式水轮机增容改造方案46-49
• 4.1.3 HL638-WJ-84水轮机流场计算工况点的选取49
• 4.2 改造前后转轮叶片计算结果对比分析49-55
• 4.2.1 改造前后叶片工作面与背面的压力分布49-52
• 4.2.2 改造前后叶片工作面与背面的速度分布52-55
• 4.3 改造前后蜗壳及导水机构计算结果对比分析55-58
• 4.4 改造前后水轮机尾水管计算结果对比分析58-62
• 4.4.1 改造前后水轮机尾水管压力分布及速度分布58-61
• 4.4.2 改造前后水轮机尾水管流线分布61-62
• 4.5 改造前后水轮机性能对比62-65
• 4.6 本章小结65-67
• 结论与展望67-69
• 一、结论67-68
• 二、不足与展望68-69
• 参考文献69-73
• 致谢73-74
• 附录A 攻读学位期间所发表的学位论文目录74

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本文编号：690523