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水泵水轮机内部流动及水力特性

何晓林  
【摘要】:可逆式水泵水轮机广泛应用于抽水蓄能电站,与水轮机和水泵串联的蓄能机组相比,其体积、重量大大减小,造价降低,因而得到了广泛应用。由于国内对水泵水轮机的研究起步较晚,设计及试验经验不足,导致研究不够深入全面,主要着重于对国外机型的引进、消化和再吸收,以及对水泵水轮机内部流动解析技术的研究,使得水泵水轮机的国产化设计水平较低。因此研究水泵水轮机的设计方法及其内部流动和水力特性具有良好的理论价值和应用前景。 本文根据水泵水轮机中水流流动的规律,提出了新型水泵水轮机轴对称蜗壳及转轮叶片的设计方法,设计出了蜗壳、固定导叶及转轮叶片的三维模型。论文应用CFD技术对水泵水轮机全流道进行了数值模拟计算,研究了其内部流动状况及水力性能,已达到应用数值模拟指导水泵水轮机设计的目的。 传统的水泵水轮机蜗壳设计方法是使固定导叶鼻端到尾端圆周方向均匀出流,即每一段蜗壳出流流量相等,因此固定导叶出口水流环量(=RVu)是不相等的,流向活动导叶和转轮叶片的是非轴对称流。水泵水轮机经常需要在非设计工况点运行,这种非轴对称流会放大其S特性,且会放大活动导叶和转轮叶片间的动态干涉,严重危害水泵水轮机的安全稳定运行。本文根据蜗壳中水流流动的基本理论,提出了新型蜗壳的设计方法,该方法能够为高水头水泵水轮机转轮提供高度轴对称的入流。 进行水泵水轮机转轮叶片的设计时,首先需要研究水流在导水机构及叶轮中的流动状况,合理选择转轮流道及叶轮的几何参数和叶形。本文首先根据等面积法确定叶轮流道及各设计流面的轴面投影流线,确定叶片进水角,然后在保证转轮叶片为无撞击进口的基础上分析叶片在子午面上的几何特征,合理确定各设计流面的叶片翼型及其厚度变化,最后对翼型进行加厚得到需要的水泵水轮机叶片。 为了评价本研究中设计的蜗壳、导叶及转轮叶片的性能,为叶片的优化设计提供科学合理的数据,本文利用CFD技术对本设计的水泵水轮机水轮机工况全流道进行了数值模拟计算,得到了各部件内部压力场、速度场及能量的分布。通过解析发现实际流场分布合理,且与设计具有相关性,基本满足设计的要求,数值模拟可作为对叶片进行进一步优化设计的依据。


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