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基于数值方法的长短叶片混流式水轮机性能研究

时间:2017-11-14 20:31来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是水利论文,本文用数值模拟的方法对某型长短叶片水轮机的在不同运行工况进行全流道计算,根据计算结果分析该水轮机的能量特性,空化特性,并利用流固耦合的方法计算分析
第 1 章 绪论
 
1.1 研究背景
我国水能资源十分丰富,水资源总量位居世界第一位,随着我国工业化进程不断加快,水电等能源行业发展迅速,2007 年中国水电装机容量首次超过发达国家,总装机容量达到 1.45 亿千瓦,稳居世界第一,但开发程度却远不及欧美等发达国家,到 2010 年底我国水电开发程度仅为 27.7%(按发电计),还没有达到发达国家的一半,尚有大量的可供我们开发利用的水力资源。水电生产过程清洁环保无污染,对减轻大气污染和控制温室气体排放将起到重要的作用,且其生产成本较低,约为火力发电的七分之一,很大程度上节约电站的运行费用。除此之外,近几十年来,煤炭资源的大力开发增加了全球能源压力,充分利用水能这种可再生资源有利于缓解压力。“积极开发水电,促进能源绿色发展”,是未来水电发展的主基调,国家能源局对外公布《水电发展“十三五”规划》显示,2020 年我国水电总装机容量达到3.8 亿千瓦,年发电量 1.25 万亿千瓦时,折合标煤约 3.75 亿吨,在非化石能源消费中的比重保持在 50%以上。这充分说明我国正在积极努力的开发水电能源,也从侧面反映出水电建设任重道远。水力机组是整个水电站的核心设备,是开发建设水电工程最终效益所在。对于混流式水轮机而言,运行性能好坏及稳定性直接影响水电站的技术经济水平,因此,不断改善其性能参数和机械结构,将产生很大的经济效益及社会效益。所以,新型水轮机的研究对实际生产具有重要意义。例如,近年来开始逐渐被水电站认可并投入使用的长短叶片混流式水轮机,它能在一定程度上提高水轮机组效率、减少水轮机空化和磨损问题,因此,长短叶片水轮机能量特性、空化性能等方面都比常规水轮机更具优势,未来有很大发展潜力,应用前景广阔,通过研究这种水轮机,我们能更加有效地将水力资源转换成电能,充分提高开发水资源产生的经济效益和社会效益,综上所述,长短叶片混流式水轮机的性能研究是有重要意义的研究课题,它兼具学术价值和现实意义[1]。
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1.2 长短叶片叶轮的研究现状
近年来,在国内外,长短叶片叶轮逐渐被发展并应用,以长短叶片水轮机为例,长短叶片水轮机是指转轮为复合转轮的水轮机,复合转轮的结构形式就是长、短叶片相间排列,可以看成是常规水轮机转轮的两个叶片之间加入了一个短叶片。由于加入短叶片,使得转轮叶栅密度增加,可以有效提高水轮机水力效率,使其具有较大的高效率区;同时,相同的工况下,叶片面积增大使得单位面积负荷减轻,也正是因为转轮叶片正背面压差减小,转轮叶片可以做的较薄,厚度变化也不大,有利于简化转轮的工业制造;这种长短叶片在改善转轮的空化性能上也有很明显的效果,因为加入短叶片使得转轮叶片的出口面积变大,且叶片回流减少。针对长短叶片叶轮的研究还不是很成熟,国外,日本德岛大学 T. Shigemitsu ,J. Fukutomi 等人对有分流叶片(短叶片)的小型离心泵非定常流动进行研究,从实验结果可以看出,分流叶片改善叶片出口角度大的微型离心泵的性能和内部流动状况,此外,靠近蜗壳舌端非定常流动被抑制[2]。G. Kergourlay,M. Younsi 等人通过试验研究了增加分流叶片对某种磨锐泵离心泵性能的影响,流动形态分析表明,在叶轮上加入分流叶片时,叶轮的圆周速度和压力趋于均匀,在 BEP(最佳效率点的流量)下,利用动态压力传感器分别测试分流叶片泵轮和原始叶片泵轮四个位置压力波动,实验结果与数值预测相匹配[3]。Cavazzini 等学者也通过实验测试和数值分析,对有分流叶片离心叶轮泵和无分流叶片的离心叶轮泵吸力性能之间的比较,发现有分流叶片时泵的吸入性能有明显改善[4]。近年来,国内一些学者在这方面也做了一些研究,例如江苏大学杨孙圣通过搭建开式液力透平实验台,制作液力透平样机的方法,对有、无短叶片的水泵叶轮进行了实验研究,最终得出短叶片的增加降低了液力透平的扬程,提高了液力透平的效率,加入短叶片减小了叶轮内部的功率损失[5]。扬州大学潘光星采用数值计算和 PIV 相结合的方法,对某型号带分流短叶片的低比转数离心泵内部流动特性进行了研究,得出分流短叶片的偏置位置不同时离心泵叶轮内的三维湍流流动规律,并提出了短叶片合理偏置方案,最后又利用 PIV 技术进行测量得到粒子散点图进行了验证[6]。王秀礼利用实验研究和数值模拟相结合的方法对 3 种不同短叶片进口直径的长短叶片离心泵叶轮进行了研究,分析不同工况的气泡分布情况对叶轮内部流动和性能的影响,得出选择合理短叶片的进口直径可以减少叶轮进口堵塞和流道内的漩涡汽蚀,提高离心泵的抗汽蚀性能[7]。
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第 2 章 理论基础
 
2.1 水轮机全流道计算数学模型
流动在自然界是很常见的,有层流,有湍流,它们是根据雷诺系数的大小来划分的,由定常的 N-S 方程得到的层流模型只适用于雷诺系数低于 1000 的流动。在实际问题中我们遇到的的大部分流动都是湍流,和层流有所不同,湍流流动比较复杂,流场中的压力、速度等物理量都随时间和空间的变化发生改变,对湍流研究方法主要有三种,直接数值模拟法(DNS)、大涡模拟法(LES)、Reynolds平均 N-S 方程法(RANS)[37]。它们之间关系如图 2-1 所示。湍流模型丰富多样,数值模拟计算中常见的模型有标准 k-ε,RNG k-ε模型,SST k-ε模型,Realizable k-ε模型,它们的适用对象和优缺点也不尽相同,标准k-epsilon,认为湍流粘性是各向同性的,适用于简单的湍流流动,不太适合复杂的湍流流动;RNG k-ε模型,在标准 k-ε基础上,考虑了粘性系数的各向同性,历史效应,平均涡量的影响,可以较好的模拟流动的旋涡和分离;SST k-ε模型,在标准 k-ε基础上,考虑了湍流剪应力的传输因素,并采用不同的模型常量,它适用于墙壁束缚流动和自由剪切流动,Realizable k-ε模型在标准 k-ε基础上增加了新的输运方程,能较好适用于圆柱和平板射流流动。目前,在数值模拟计算过程中,还没有出现一个湍流模型能完美适用于所有的流动,因为研究对象复杂多变,所面临的实际问题也各不相同,此外,也要考虑计算精度是否能满足需求,还要考虑计算所需时间和资源是否足够,所以根据实际需求选择合适的计算模型是十分必要的[38]。
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2.2 空本章小结
本章首先对水轮机数值模拟计算的应用到的湍流研究方法,常见的几种湍流模型进行了简单的介绍,并给出了它们的适用范围,其次介绍了空化性能预估模型,给出如何计算水轮机空化系数,最后介绍了对力学特性计算分析中应用的有限元分析理论,流固耦合理论,说明流体与固体之间的耦合方法。
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第 3 章 水轮机模型建立与网格划分..... 14
3.1 水轮机的基本设计参数...... 14
3.2 计算域模型...... 14
3.3 本章小结......... 21
第 4 章 能量特性计算与分析.......... 22
4.1 数值计算.......... 22
4.1.1 计算域模型及边界条件设定......... 22
4.1.2 计算工况...... 23
4.2 能量特性分析......... 24
4.3 本章小结......... 37
第 5 章 空化特性分析........ 38
5.1 空化现象概述......... 38
5.2 水轮机中空化类型........ 38
5.3 水轮机中空化的危害.... 39
5.4 水轮机空化和空蚀性能分析...... 39
5.5 本章小结......... 51
 
第 6 章 力学特性分析
 
6.1 流固耦合介绍
前面第四章在分析水轮机能量特性时,将转轮视为钢性体数值计算,忽略了转轮的微小变形,在研究转轮的力学特性时,要分析叶片的受力及形变就不能将转轮再视为钢性体了,需要采用流固耦合进行计算,严格来说,既要考虑水对转轮的压力引起转轮形变的因素,又要考虑转轮发生形变影响水流的因素,所以本章采用双向流固耦合对水轮机进行数值计算研究。图 6-1 是网格交互耦合中的并行数据交换示意图。选择多个典型工况点进行计算,需要先对每个工况进行转速和流量设定并计算,双向流固耦合计算在 Workbench 平台进行,首先将结构计算模块( TransientStructural)与流体计算(CFX)模块的设置项(setup)相互连接,流体计算(CFX)模块从结构计算模块(Transient Structural)计算中接受位移变化数据,并将压力数据传递到结构计算模块(Transient Sturctural)中。流体计算转轮计算域的网格类型设置为 Regions of Motion Specified。流体计算域其他部分的设置与流场计算部分的相同。
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结论
 
本文采用数值模拟方法对某长短叶片混流水轮机全流道进行了计算,分析了该水轮机的能量特性,空化特性,利用双向流固耦合的研究方法分析了水轮机力学特性。结论如下:
(1)能量特性:该长短叶片水轮机在小流量工况和大流量工况下水流流态较差,转轮水力损失较大,能量特性较差,中流量工况下,流态较好,水力损失较小,能量特性较好。在相同工况下,长短叶片转轮和常规转轮流态没有明显差异,效率也很接近,长短叶片转轮在能量特性上没有明显优势。
(2)空化特性:转轮,在小流量工况下,水轮机叶片头部易发生空化,在中流量工况和大流量工况下,水轮机叶片头部不易发生空化,小流量工况在叶片进口更易发生空化,中流量工况和大流量工况在叶片出口更易发生空化;尾水管,小流量工况和大流量工况更容易发生空腔空化,中流量工况不易发生空腔空化;相同工况下,长短叶片转轮空化系数均小于常规(仅长叶片)转轮空化系数。整体来看该型长短叶片转轮空化性能优于常规(仅长叶片)转轮,这对以后提高转轮空化性能的改型研究有一定帮助。
(3)力学特性:几种工况下转轮的最大应力处均出现在转轮叶片的出水边与上冠衔接处。几种工况下长叶片形变量分布相似,呈现“V”型分布,短叶片各有不同。在几种计算工况下,静应力的最大值为 34.549.4MPa,远小于转轮叶片材料OCr13Ni4Mo 的极限破坏应力,满足工程安全要求。  
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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