水轮机转轮叶片几何参数与其能量性能的关系

第󰀁办󰀁󰀂󰀂∀!年月 浙江水利水电专科学校学报(), &侣−.夕/0∀11#%馆2&句∋∗+(3󰀂󰀁#4)󰀁󰀂󰀂󰀂水轮机转轮叶片几何参数与其能量性能的关系— 1中国农业大学水电学院北京三维粘性流场计算在水轮机中的应用周凌九‘肖国辉“王正伟5󰀂󰀂6178󰀁浙江省水利厅浙江杭州5󰀂󰀂󰀂985清华大学热能系北京11󰀂󰀂6:!摘要;通过三维粘性流场计算探讨了水轮机转轮叶片几何参数对转轮能量特性的影响=>5󰀂5󰀁5关键词;水轮机8转轮8叶片8水轮机参数8三维流8流场计算中图分类号二<文献标识码;?文章编号;一󰀂󰀂675∀≅ 󰀁󰀂󰀂󰀂!󰀂󰀁󰀂󰀂56󰀂5随着计算机技术和计算流体力学的发展ΑΒΧ技景该电站要求在原转轮埋设部件过流形状不变的条术即转轮内部流场计算在转轮能量性能预估和优化水力设计方面得到了广泛的应用件下增加机组出力并保持原有效率不降该转轮的1在转轮设计中若设设计点单位参数为;计者对于转轮叶片几何参数对性能的影响认识不清在设计中不可避免地有某种程度的盲自性;0Ε8设计单位流量;设计单位转速>7Δ1󰀁ΦΓΗ为减少这经过分析计算表明叶片包角叶片进出口角对转轮的效率和过流量都有较大的影响模型列表加以比较和分析种盲目性须深人研究转轮几何参数对性能影响为以下选择几个典型的此本文通过流场计算专门探讨了该问题研究方案事实上转轮内流场计算的重要作用就是它可以代替或部分代替模型实验而不需花费太多的费用为便于分析比较模型的主要几何参数比较见表1表11为参照模型其它模型的几何参数和性能参数都与该模型进行对比7个模型7个模型主要几何参数比较模型󰀁垂5;从这个角度而言流场计算可以说是研究转轮几何参数对性能的影响的最好手段模型1叶片平均包角巾模型必5模型:巾模型7中要研究上述问题首先必须有足以进行对比的几叶片平均出口安放角叶片平均进口安放角何模型数可变就是说要研究某一参数的影响时进行对比尹凡,月凡夕󰀁儿1夕󰀁凡1Ι尸Ι儿󰀁,的模型组的其它参数应该基本一致只有要考察的参󰀁流场计算方法本文的计算均采用商用软件ΒΦϑΚ3<为了做到这一点作者专门编制了转轮设计程序该程序可在设计中控制特定的几何参数而保持所采用其它参数基本不变可应用于辐流式混流式轴流式水轮机的叶片设计8的模型和计算方法简单介绍如下󰀁;1基本方程在参数中转轮叶片进出口安放角叶片包角叶片倾角叶片翼型的曲率对转轮性能影响最大水轮机内部流动基本方程为3Λ方程;因此卑,/,Ι(石产之∋!Μ万气以凡、八ϑ 󰀁1!本文重点分析这些参数对转轮能量性能的影响(本文内容主要是以某电站的增容改型的课题为背1󰀂󰀁:作者简介周凌九女收稿日期󰀁󰀂厨󰀁󰀁‘、洲!十(Ν而、ϑΔ∋Ο4’Π巫&(/为Ι十钦,尸91Ι凡 󰀁󰀂󰀁!压力速度藕合方式19∀9年生硕士由于流动介质为水是不可压流体解上述的关键第1󰀁卷一一第󰀁期周凌九肖国辉王正伟水轮机转轮叶片几何参数与其能量性能的关系在于速度压力的藕合方式ΛΘΡΔΦΚΑ󰀁为此本文首先比较了不增加这样水流在尾水管内的水力损失也会增加将同的速度压力的祸合方法特点在计算中主要采取方法会导致水轮机总体损失增加表󰀁模型轴功率飞+模型工况1,和模型󰀁的比较表工况󰀁󰀁517∀∀15网络划分工况5工况:117󰀂66:本文的计算采用三角形非结构型网络󰀁:19󰀁9󰀂5119󰀁󰀂1>󰀂6:󰀁91>󰀁󰀂方程离散1:∀󰀁56776>󰀂7󰀁1󰀁∀6󰀁>采用有限体格式对上述方程进行离散在控制体中心变量储存效率ΓΖ󰀂996>6>其中动量方程的对流项采用二阶迎;;;667吕夕󰀂95󰀂69󰀁:平均出口周向Η流速八)Γ17615󰀂󰀁195∀17>95󰀁:56风差分格式扩散项采用中心差分格式由于离散中要求控制面上的压力值对压力采用动量方程系数为权重系数进行插值8而对连续方程则通过ΛΘΡΔΦΚ󰀂󰀂:󰀁󰀂:󰀁6175:󰀁9917>1>󰀂󰀁79!∀ 󰀁:17󰀁5∀>7∀Η单位流量南尸Γ1󰀁󰀂5>󰀂9󰀁󰀂595119∀1󰀁5:󰀂󰀁71󰀁511∀9󰀂7>1󰀁:5717>9695Α方单位转速街邢>󰀁71󰀁>󰀁∀∀>7∀1>7法与压力相联系对其离散过程中控制面上的速度仍由动量方程系数权重法插值󰀁7∀169∀9>󰀂>61∀∀湍流模型一般而言在偏工况下转轮内可能会出现一些不表项目5模型模型1模型工况1󰀁模型:的性能参数比较工况51>󰀂61>󰀁1工况󰀁󰀁517∀∀1󰀁5󰀂∀>99工况:117󰀂66:利于计算的流态如逆压梯度漩涡脱流等此时湍流19󰀁9󰀂51:󰀁9模型的选取可能会在较大程度上影响计算精度和收敛速度Κ轴功率爪+5:19󰀁󰀂651∀6󰀂6755󰀁7∀95󰀂6但本文所比较工况在最优工况附近各湍流模1975󰀂7󰀁516󰀁󰀂56791∀>96>5型的计算结果差别不大本文采用所谓Σ2(2Υ(∋ΤςΤ=󰀂9966769󰀂:模型进行转轮内部湍流计算该模型因其满足可实2(Υ(2Ξ)/∋,∋现性条件 ΣΤ∋ςΤ!而得名其思想由效率ΓΖ91󰀂69󰀁56751󰀁∀6995󰀂&Λ&∋<一.等人在1997)ΞΩ69966󰀂年提出Ψ‘〕176151>59󰀁出口周向流速ΓΕΗΓ󰀂󰀁195∀17>9151:9167761󰀁󰀂595119∀911󰀁󰀂>69755:565󰀁76>::∀>:11Ζ116:6>󰀁1󰀁󰀂56󰀁∀边界条件1∀51󰀂本文计算中在转轮进出口采用了压力边界条件1576󰀁:󰀂󰀂51:77在壁面采用对数分布规律的壁面函数川5175:󰀁991󰀁󰀂5>󰀂9119757Η单位流量南召Γ5:17󰀁5:>几何参数对转轮出力性能的影响计算过程中应保持被比较的某些工况参数 如导17:7>1󰀁󰀂∀75>󰀁71󰀁∀1>7∀9󰀂7>>9695单位转速Γ甲Ε>󰀁:97>󰀁157∀󰀁:∀66∀675󰀂61󰀁叶开度或水头等!不变使各组数据间具有可比性以下各表分别列出了几个模型的计算结果∀1∀59:5∀∀6671 Τ!表其中模型󰀁为两个包角不同的模型的能量性能比较表项目:模型模型1模型7的性能参数的比较工况󰀁󰀁517∀∀11包角大而模型󰀁包角小从表中可见当工况119󰀁9󰀂51叶片包角减少时在导叶开度和水头基本不变的条件下转轮的过流能力增加但效率略有下降工况51>󰀂6:󰀁9工况:117󰀂66:115>>9:95󰀂691>当效率下更多的计轴功率众+降不多或不变时转轮的出力会大大提高19󰀂116󰀁󰀁5󰀂7>151>>7:6算还表明叶片包角过度增加可能会引起效率大幅下降和空化性能降低反而不利于提高出力 󰀁!表效率ΓΖ󰀂996796>󰀁:66769656965是叶片出口角不同的几个模型的计算结1平均出口周向流速ΓΕΗΓ17615󰀂󰀁195∀17>955:5655∀:6果其中模型5的叶片出口角比模型的出口角比模型󰀂󰀁∀5>>󰀂:9>51󰀁󰀁󰀁7∀1󰀁󰀂595的小模型:1大通过比较可见随着叶片出口ΗΓ单位流量南挤175:󰀁9915>7󰀂11󰀁󰀂5>󰀂91󰀁91󰀁71119∀1󰀁󰀂󰀁71󰀁󰀂∀1:角的增加转轮的过流能力增加但转轮效率也有一定的下降与此同时转轮出口环量 出口圆周速度!也在单位转速勺刀>󰀁71󰀁∀1>7∀9󰀂7>>9695∀9Ζ∀󰀁1>7∀6:76󰀂5浙江水利水电专科学校学报󰀁󰀂󰀂󰀂年∀月 5!表:比较了两个进口角不同的模型可见叶片另一方面这种相互制约关系也说明对一定比转进口角与转轮的最优效率区工况点的位置关系较大速的转轮改型时改型后转轮的性能的提高是有限的当叶片的进口角增加时最优区向高水头小流量方向偏移:尤其在水轮机的部分过流通道 如导叶尾水管等!的几何形状不变时更是如此这可以从速度三角形的分析得到解释在这种情况下要首先分析原转轮的流道形状是否有一定的潜力仅通过叶片结论几何参数是否可以既满足出力和效率的要求又满足空化性能;由以上的比较和分析可以看出在这一领域转轮的内部流场计算将发挥 1!适当减少叶片包角或增加叶片出口角有助于巨大的作用提高转轮过流量但也有使效率降低的危险改变上述结论虽然可以从速度三角形和流动理论的基础知识得到定性的分析但由于各几何参数和水力性 󰀁!叶片进口角的改变将引起转轮最优工况点的 5!适当增加包角或采用负叶片倾角有助于提高能间的相互制约关系设计仅靠经验仍不可避免的存在一定的盲目性但通过上述流动计算我们还可以得到具体的定量数据从而使优化设计的盲目性减少大大提高了设计水平参考文献转轮的空化性能由此可见转轮的过流量出力和效率空化性能与转轮的几何参数间的关系是相互制约的在提高转轮过流量和出力时可能会有损效率和空化性能8反之亦然因此在设计转轮的过程中关键在于如何恰到川Λ&∋&<一.Φ∋4Ξ2++0〕ΛΤΤ(Τς∋0?出1%&4#?3[∴<Η口0〕2/Κ好处地匹配各几何参数在以上性能参数间找到平衡使转轮既有较高的出力和效率又有良好的空化性能但并不是一件容易的事/梦]∋ΗΩΤΞΞ∋,⊥入/Τ_Ξ.∋∗&Σ2⊥ΤΤ󰀂1/Η3Ε42ς0Τ己),ΒΤΡ≅2,ΤΤΤ头ΞΤ⎯ΤΤΤ2),(/⊥习∋/(,∋Ξ)Ψ#α4, 为叫〕20ΤΒ∋Η/1997Η󰀁:[Ξ显然比转速范围不同的转 5!󰀁󰀁>󰀁〕金忠清〔󰀁563ΛΡ」南京河海大学出方程的数值解法和紊流模型〔;轮所选的几何参数范围也不同 上接第5󰀂页!一些特点版社大掺量粉煤灰混凝土是一水8第三种效应可以减少或消除混凝土中薄弱的Α( β.种新材料它与普通掺粉煤灰 即使掺量很大!的混凝土不同有以下特点 Τ!把粉煤灰看作是混凝土的一个独立组分根据!结晶同时生成的水化物使混凝土微结构愈󰀁;来愈密实从而大幅度增加混凝土后期强度使渗透性大为降低久性工程设计的要求来配制混凝土用粉煤灰以一定比例 󰀁!掺用大量粉煤灰可显著改善混凝土结构的耐代替水泥 󰀁!粉煤灰比水泥对水胶比更为敏感它要求用化8其抗硫酸盐性能很好掺用大量粉煤灰水胶比又低的混凝土体的温升较小可以减少温度应力减学的或Γ和机械的方法使水胶比尽量减小粉煤灰对少温度裂缝的产生强度发展的作用明显提前因此所配制的混凝土󰀁6天 5!在混凝土中掺用大量粉煤灰可以显著地节约 或其他设计龄期!强度可以满足工程设计的要求8 5!粉煤灰掺量可以比普通混凝土明显增大粉煤水泥这是由于水胶比小对它比水泥还敏感的粉煤灰能较早地发挥活性作用使强度发展明显加快灰的效用能得到充分的发挥经济效益显著采用大掺量粉煤灰混凝土的意义有 :!在混凝土中掺用大量粉煤灰是消纳粉煤灰的经济且有效的途径; 1!掺用大量粉煤灰可制备经济高性能混凝土;由于这种方法投资小而见效快与粉煤灰作为填粉煤灰作为混凝土的一个组分有三种作用形态效应微集料填充效应和活性作用筑和其他低值利用相比其经济效益显著8这将促使电厂有较高的积极性投资改进煤的粉磨和燃烧技术吸其中前两种效应是水泥颗粒所不具备的第一种效应可以改善混凝土的施工性能8第二种效应使混凝土易于密实不离析泌尘与其他提高粉煤灰质量的技术可以形成良性循环另外对防止环境污染起到积极作用