基于現(xiàn)代CFD過程的軸流式水輪機(jī)通道的改進(jìn)設(shè)計(jì)_圖文

1、 6 東方電氣評論 第 19 卷 圖 14 蝸殼與固定導(dǎo)葉聯(lián)合計(jì)算導(dǎo)葉區(qū)流態(tài) 圖 17 能量對比曲線 ( n11 = 140 r / min 流部件不變的情況下，通過更換座環(huán)進(jìn)行對比試 驗(yàn)。圖 15 17 給出了低、中、高三個(gè)單位轉(zhuǎn)速下的 能量試驗(yàn)結(jié)果對比，橫坐標(biāo)為單位流量，縱坐標(biāo)為 相對效率。 圖 15 17 中帶有“ - 2”后綴的為優(yōu)化的座環(huán) 的試驗(yàn)結(jié)果，三幅圖上示出水輪機(jī)的效率均有不同 程度的提高。圖 16 為最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速附近的曲線，可 見在單位轉(zhuǎn)速 120 r / min, 單位流量 950 l / s 的接近最 優(yōu)工況轉(zhuǎn)輪的水力效率提高了 2. 2% 左右。固定導(dǎo) 葉的形狀對轉(zhuǎn)輪水

2、力效率的影響十分明顯。 3. 3 轉(zhuǎn)輪數(shù)值優(yōu)化 計(jì)算區(qū)域?yàn)椋簠^(qū)域進(jìn)口在活動(dòng)導(dǎo)葉出口圓周 上，區(qū)域出口到泄水錐結(jié)束，取一個(gè)葉道進(jìn)行計(jì)算。 圖 18 和圖 19 為初始葉片和優(yōu)化葉片流態(tài)對比。 從上面流場模擬圖可以看到，初始葉片表面壓 力分布很不均勻，甚至工作面在進(jìn)水邊靠輪緣側(cè)出 現(xiàn)局部低壓區(qū)，而優(yōu)化的轉(zhuǎn)輪壓力分布則均勻得 多。從速度矢量圖上可以看到，在原始轉(zhuǎn)輪葉片靠 輪轂的圓柱面上存在較大的正沖角，而且出現(xiàn)了嚴(yán) 重的回流現(xiàn)象，這部分水的能量作為一種損失而使 圖 15 能量對比曲線（ n11 = 90 r / min 圖 18 轉(zhuǎn)輪工作面壓力場 圖 16 能量對比曲線 ( n11 = 120 r

3、/ min 圖 19 優(yōu)化轉(zhuǎn)輪靠輪轂柱面速度矢量 第1期 魏顯著等 基于現(xiàn)代 CFD 過程的軸流式水輪機(jī)通道的改進(jìn)設(shè)計(jì) 7 得轉(zhuǎn)輪的水力效率降低。應(yīng)當(dāng)適當(dāng)增加扭角以減少 回流現(xiàn)象，優(yōu)化后的葉片扭角增加了 60º。 3. 4 全通道流動(dòng)數(shù)值模擬 圖 20 為全通道流動(dòng)模擬網(wǎng)格實(shí)體。計(jì)算工況： 單位轉(zhuǎn)速為 120 r / min, 單 位流量 950 l / s ，節(jié) 點(diǎn)數(shù) 1 000 000 個(gè)。在計(jì)算工況點(diǎn)，數(shù)值效率較試驗(yàn)效率 高 0. 3% , 這可能是計(jì)算中沒有考慮轉(zhuǎn)輪間隙造成 的。 模擬應(yīng)該從蝸殼進(jìn)口到尾水管出口進(jìn)行聯(lián)合計(jì)算。 由于早期建設(shè)的電站需要進(jìn)行增容改造，這里的方 法優(yōu)

4、化固定導(dǎo)葉翼型后，在電站現(xiàn)場對固定導(dǎo)葉修 型對提高真機(jī)出力具有積極的指導(dǎo)意義。由于減小 了固定導(dǎo)葉進(jìn)口沖角甚至對降低機(jī)組噪音和增加機(jī) 組的穩(wěn)定性也會有好處。對全通道流動(dòng)模擬下一步 應(yīng)考慮間隙。 參考文獻(xiàn)： 4 結(jié)論 1 2 AEA, CFX-TASCflow user documentation. Wei xianzhu, Tao xingming, Xu zhong. OPTIMIZATION DESIGN OF AXIAL FLOW PUMP IMPELLER BASED ON NUMERICAL SIMULATION OF 3D VISCOUS FLOW. The 4th Interna

5、tional Conference on Pumps and Fans ( 4th ICPF ， August 26 29. 2002 Tsinghua University, Beijing. 闡述了基于現(xiàn)代 CFD 過程的軸流式水輪機(jī)通道 的改進(jìn)設(shè)計(jì)方法。針對一軸流電站，通過對蝸殼幾 何形狀的優(yōu)化，尤其是支墩的形狀對改善流態(tài)，減 小局部水力損失及負(fù)荷沿圓周均勻分配作用明顯； 用不包括固定導(dǎo)葉的蝸殼流動(dòng)分析結(jié)果確定固定導(dǎo) 葉進(jìn)口角是可行的；優(yōu)化的蝸殼使水輪機(jī)的模型試 驗(yàn)效率在最優(yōu)工況提高了 0. 4% 。在對蝸殼優(yōu)化的 基礎(chǔ)上，這里提出的對軸流式水輪機(jī)固定導(dǎo)葉優(yōu)化 設(shè)計(jì)的方法，對減小固定導(dǎo)葉

6、區(qū)的水力損失進(jìn)而提 高轉(zhuǎn)輪的水力效率具有指導(dǎo)意義；優(yōu)化的固定導(dǎo)葉 與初始導(dǎo)葉在其它通流部件不變的情況下進(jìn)行同臺 模型試驗(yàn)對比表明，最優(yōu)效率提高了 2. 2% 左右。 蝸殼與固定導(dǎo)葉聯(lián)合計(jì)算中優(yōu)化的導(dǎo)葉數(shù)值損失減 小了 1. 1% ，這是一個(gè)相對的概念，更精確的數(shù)值 作者簡介： 魏顯著（ 1966 ），男，西安交通大學(xué)流體機(jī)械及動(dòng)力工程系 工學(xué)博士，中國動(dòng)力工程學(xué)會會員。哈爾濱大電機(jī)研究所從事水力 機(jī)械水力設(shè)計(jì)和流動(dòng)分析以及大型水電機(jī)組水輪機(jī)穩(wěn)定性研究工 作，高級工程師。 （收稿日期： 2004 - 12 - 01 ） 圖 20 全通道流動(dòng)模擬網(wǎng)格實(shí)體 Improving Design Base

7、d on CFD Procedure in Kaplan Turbine WEI Xian-zhu， LIU Wan-jiang， HAN Xiu-li （下轉(zhuǎn)第 17 頁） 第1期 龔 莉等 水布埡電站水輪機(jī)水力設(shè)計(jì) 17 圖6 最優(yōu)工況尾水管內(nèi)中間斷面的流速分布 圖7 最優(yōu)工況尾水管內(nèi)中間斷面的壓力分布 Hydraulic Design of Hydraulic Turbine for Shuibuya Hydroelectric Project GONG Li， SHI Qing-hua ( Dongfang Electrical Machinery Co., Ltd., Deyang

8、， Sichuan，618000 Abstract： Presents hydraulic design concept and techniques used by Dongfang Electrical Machinery Co., Ltd. in hydraulic development of the hydraulic turbine for Shuibuya hydroelectric project. The hydraulic design and computational fluid dynamics tools employed in hydraulic design o

9、f the hydraulic turbine for Shuibuya hydroelectric project are given with the emphasis on the application of these critical design concept and techniques in hydraulic optimization of the hydraulic turbine. Key words：Shuibuya hydroelectric project；Hydraulic turbine；Hydraulic design """

10、""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""

11、"""""""""""" （上接第 7 頁） ( Harbin Institute of Large Electrical Machinery, Harbin, China, 150040 Abstract： Describes improving design methods use commercial software CFX-TASC flow to solve Navier-Stokes equations together with k- turbulence m

12、odel in the Kaplan Turbine. Great progress has been made in research of Kaplan turbine runner in the past years. However, We find some different with the further research in improving units efficiency; Other flow passage should be taken consideration except for runner. In present research, firstly,

13、We studied a semi-spiral in a special topic by flow numerical simulation. The concepts of flow angle and energy loss as well as flowrate distribution are very important to improve design. Then, it is impossible to make very good flow pattern in inlet of stay vane only by means of changing geometry o

14、f spiral casing. Different geometry of stay vanes applied to reduce loss is discussed, so as to compensate the lack of spiral casing and improve hydraulic efficiency. Also an optimization of a runner with five blades is carried out. Finally, numerical performance are predicted at optimal operating points for entire tu