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基于数值方法的混流式水轮机转轮优化设计

刘安然  
【摘要】:混流式水轮机在水电站中占有很大的比例,转轮是实现能量转换的核心部件,对混流式水轮机转轮的选择一般根据工作水头确定,并根据相似原理对转轮进行生产制造。由于不同水电站中水轮机的运行条件各不相同,可能会导致转轮的实际工作性能难以达到设计目标,因此需要根据实际的运行条件对转轮进行优化。本文以使用于能量试验台上的HL160转轮为例进行优化并研究其动力特性与尾水管压力脉动。 首先基于BladeGen对水轮机转轮进行参数化造型,在实际运行工况下对水轮机全流道进行湍流计算,根据流场计算结果与叶片翼型压力分布不断优化转轮结构,直到转轮叶道内的流场得到优化并且能量性能得到保证。检验水轮机转轮对负荷波动的适应性并对转轮结构进行微调,最后输出优化后的转轮结构参数。 对优化后的水轮机转轮的进行动力特性分析。首先对转轮处于空气中与水下的模态分别进行计算,分析转轮的各阶模态和水对转轮固有模态的影响。然后使用流固耦合的方法对水轮机进行计算,分析转轮叶片在单向流固耦合与双向留固耦合计算中的应变分布特点。 尾水管压力脉动是重要的水力激振源,对优化后的转轮在设计运行工况下进行湍流计算,考察尾水管内的流场和压力分布。计算部分负荷的运行工况,对尾水管流场与涡带进行分析。计算尾水管内的压力脉动,对安全运行具有一定的参考意义。 在实际运行工况下,通过CAD-CAE的方法对转轮进行优化,对于保证产品设计质量有具有实际意义。分析转轮的动力特性与尾水管压力脉动,对安全运行具有一定的参考意义。


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