中比转速混流式水轮机内流场数值模拟及性能改善研究

【摘要】：效率、空化性能及稳定性是混流式水轮机的三大综合性能指标,也是我们研究的重点。水力机械内部流场的CFD数值解析是我们研究混流式水轮机性能指标的重要工具,它可以通过对水轮机各过流部件内部流动稳定场及非稳定场的详细解析,了解过流部件内部的综合特性,为研究水轮机水力性能及稳定性提供理论基础。长期以来,人们一直在寻找有效的高精度的计算方法以及合适的湍流模式等,使其能够准确的分析及预测混流式水轮机组在较大运行范围内的能量特性、空蚀性能及水力稳定性,从而最大限度的减少模型试验费用及时间。 本文首先介绍了与水力机械CFD解析有关的若干理论问题,着重比较了各种湍流模式的优缺点及在水力机械CFD解析中的适用性;其次通过“部分耦合”的方法解析了某中比转速混流式水轮机真机在不同工况下的稳定场,全面的分析了各过流部件内的流动特性以及其能量特性,并与模型试验的数据进行比较分析;对该水轮机空化性能进行研究,分析该水轮机转轮叶片空化的原因,提出改善叶片空化性能的修型方案,并对修型前后转轮的空化性能进行比较,取得了较好的实际效果。 随着水力机械CFD解析技术的发展,人们对于混流式水轮机过流部件中主流的内流特性的了解正日益加深,而对于转轮与静止壁面之间上下迷宫环间隙内的流动以及其引起的流量损失和动力损失的认识还停留在经验公式上。本文首次通过对主流与间隙流的整体解析,详细的分析了混流式水轮机上下迷宫环间隙的内部流动情况,着重分析了上下迷宫环中能量损失的分布以及上下迷宫环间隙引起的流量损失及动力损失,并讨论了不同间隙形状对于流量损失及动力损失的影响;在此基础上,深入的对混流式水轮机中包括能量效率、流量效率及动力效率的综合水力效率进行详细分析,并与模型试验数据进行比较;最后,进一步分析了间隙流与主流之间的干涉作用,重点的分析了下环间隙出口流动对于尾水管内的水力性能的影响。 另一方面,随着机组容量和尺寸的逐步增大,水轮机比转速不断提高,人们对于混流式水轮机的运行稳定性日益重视,这使得水轮机内部非定常流场解析十分必要。作为中比转速的混流式水轮机,尾水管内部螺旋形涡带所产生的压力脉动是造成这类 WP=5 机组振动的最主要根源。但由于尾水管内流动是强三维、非定常、非线性的粘性流动,当涡核在尾水管内形成空化空腔时,它还是两相流。因此要对尾水管内的流态进行准确的数值模拟是十分困难的。此外,关于尾水管涡带的形成机理,目前尚存在不同看法。本文中作者应用最小能量损失原理及自由剪切层的拟序结构对于尾水管内死水区及螺旋形涡带的形成机理进行分析,提出尾水管中锥形自由剪切层之间的大涡结构是形成尾水管内螺旋形涡带的根本原因。本文中还详细的讨论了各种湍流模式在尾水管内部流动非定常数值解析中的适用性,并利用微分雷诺应力模式对尾水管内部流动进行非定常解析,验证了尾水管中螺旋形涡带形成的机理。最后通过对不同工况下的尾水管内部流动的解析,详细的分析了不同工况下尾水管内螺旋形涡带的运动规律及其引起的压力脉动。 随着水电工程建设的高速发展,机组运行的自动化程度越来越高,无人值班、无人值守,远程控制的水电厂日益增多,对机组运行稳定性的要求日趋严格。本文基于对混流式水轮机稳定性的机理研究,以工程实际为背景开发了一套大型水力发电机组振动监测系统。本文首先详细的介绍了该振动监测系统的硬件及软件系统的总体结构,以及传感器的布点位置;然后,着重的比较了基于小波包分析的现代频谱分析方法和基于FFT传统频谱分析方法在提取混流式水轮机弱故障信号中的应用;最后通过在水电厂实际水电机组上对该系统进行安装调试,对其典型工况下的振动情况进行分析。