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高效灯泡贯流式水轮机开发

颜士杰  
【摘要】:到目前为止,对于可调节叶片的灯泡贯流式水轮机,在每一个给定运行条件nDH和QDH下,其活动导叶开度αG与转轮叶片开度φR的最优组合的(on-cam)是由昂贵的模型试验得出的。在另一方面,随着64位计算机的发展,基于流动分析所得到on-cam工况点的数值预测的可靠性稳步提高。数值解析中为了得到上述位置的配合形状及特性描述,须于水轮机各部件之间添加交界面。而在实际水轮机中这些交界面是不存在的,数字模拟解析中当水流流经这这些交界面时,会不可避免的产生流动损失。针对以上问题,提出了对转动界面进行分割的方法,极大地减小了流经转动界面的数值损失,从而增加了静动翼活动导叶和转轮叶片协联工况on-cam工况点的数值预测的可靠性。 传统的灯泡贯流式水轮机协联工况主要指活动导叶出流与转轮叶片开度最优的配合运行状态,此时传统设计还以为从转轮流出的水流沿轴面流动且无旋,即法向出流可得到最优的效率。但通过本研究室对基于法向出流设计的灯泡贯流式水轮机进行数值模拟解析,发现当水轮机尾水管水力损失最小时,水轮机的整体效率最优,此时的转轮出口流动并一定为法向出流,有一定的旋回会对尾水管回收能量有利,会帮助提高水轮机的整体效率,这一点对高比转速大流量的贯流式水轮机尤为重要,尾水管回复性能的提高可为水轮机整体效率的提高作出较大的贡献。基于上述发现,本文提出在灯泡贯流式水轮机设计开发时,给予转轮叶片出口适当的欧拉能量分布,亦即让尾水管接受具有最优流动的欧拉能量分布,代替以往的按转轮法向出流的设计方法。 在具体的设计开发过程中,为了能够更好的反应水轮机内部,尤其是转轮内部的流动状态,以便合理的选择流道的几何参数和正确的进行叶片绘形。本研究在转轮前后交界面上采用与数值模拟仿真结果一致的流量分布规律。并且采用中间开度设计,最优开度和最大开度下校正的三点设计法,保证了设计出来的叶片开度符合设计的预期。 为了验证新设计叶片水力性能的好坏,本文对整个灯泡贯流式水轮机进行三维数值仿真实验,通过能量汇总表格得到了新叶片设计开度下的协联工况点。对协联工况点下的转轮内部和尾水管的速度和能量分布进行系统分析,得出了采用新设计方法设计的转轮达到预期效果的结论,验证了灯泡贯流式水轮机创新设计方法的可行性。数值仿真实验与物理试验结果的比较,也为数值仿真研究提供了技术依据及支持。


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