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大流量低水头贯流式水轮机协联工况性能预测

马启锋  
【摘要】: 大流量贯流式水轮机具有平坦的效率曲线,因为活动导叶和可调节的转轮叶片构成了水轮机的双重调节机构,在运行过程中调速器使活动导叶开度与转轮叶片转角保持协联关系,使水流总是处于较理想的工作状态。但因为贯流式转轮叶片数目少,叶片总面积少,而过流量又较大,所以汽蚀系数大。研究贯流式水轮机最优工况可以有效避免水力损失与汽蚀问题。 通常情况下,是通过物理试验的方法来得到协联工况点及其特性,但需要花费大量的人力物力,而且难以在短时间内做出判断,在经费及时间上受到很大的局限性。本论文提出一种方法,通过对分析活动导叶、转轮叶片翼型几何形状,探讨活动导叶开度γG与转轮叶片转角φR的最优对应关系,来预测协联工况。本文提出的预测方法可快速地为三维数值预测提供初始条件,为设计及运行提供有力了的帮助和依据。 为了验证大流量贯流式水轮机模型翼型几何形状解析预测协联工况正确性与可靠性,需要对模型进行定常流动解析计算,并且对计算结果进行能量与内部流动分析。通过活动导叶和转轮叶片各流面的速度矢量以及能量云图分布,揭示了水流在水轮机中的流动状况。转轮出口环量较小,没有产生大的旋回,使得尾水管流态平稳,尾水管出口的动能小于入口的动能,而压能则大于入口压能,体现了尾水管对动能进行回收的功能,也证实了形状解析的结论。通过分析水轮机的内部流动,发现转轮叶片在靠近轮缘出口处出现压力骤降的情况,判断为流速过快可能产生汽蚀,于是对叶片进行优化设计,改善问题点的流动状况。 针对流动解析发现的问题,我们对转轮叶片进行翼型改良。叶片厚度更加合理,利用速度三角形重新推算了骨线流动角的理想分布,叶片表面形状也是足够光滑,避免由于高速流体流经凹凸面时产生脱流或汽蚀现象,同时防止由此可能造成的叶间通道水流不稳定导致的压力脉动或机械震动,保护生产安全。 物理试验也是本文研究的重要组成部分。文章的后部分介绍了本实验室实验台搭建过程中的主要技术问题,阐述了进行试验的条件设备。然后总结了模型水轮机的性能表现的测试以及性能特性曲线绘制的步骤,使本研究中所探讨的原理以及结论得到了深刻地验证。


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