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可逆式水泵水轮机水力设计及内部流场分析

黄祺  
【摘要】:为达到必需的电网调节能力,电力系统中应至少装有总容量5%的抽水蓄能电站,若要达到较好的调节能力,则需要有总容量10%的蓄能装机。“十二五”抽水蓄能规划中有专家认为,抽水蓄能机组设备国产化能力的不足,增加了抽水蓄能电站的投资成本,影响了抽水蓄能电站的发展。 可逆式水轮机两种工况点并不重合,故无论是转轮的设计或选型都需要一定的折衷,在确定基本参数的基础上从一个工况开始,使用现有的水力设计方法进行计算,再用另一个工况来校核。本文在此设计理念的基础上设计出了满足性能要求的转轮,并尝试性的研究了可逆机不同工况点的水力性能。 转轮设计借鉴低比转速混流式水轮机的叶片设计原理,对一给定参数的可逆机利用水轮机设计理论进行水力设计、三维造型、ICEM网格划分,考虑到高应变率和大曲率过流面等因素的影响采用RNG k-ε模型来封闭求解N-S方程。采用有限元体积法进行离散,离散方程的压力-速度耦合的处理采用压力耦合方程组的半隐式方法(SIMPLEC)算法。利用Fluent软件模拟并反复修正模型,预测了可逆机设计工况下的转轮效率。分析了不同工况点中蜗壳,转轮,尾水管的压力场和速度场的变化,以及内部漩涡的生成原因对其此处压力场、速度场的影响。 数值实验结果表明可逆机水轮机工况的最优效率达到91%,水泵工况的最优效率达到82%,反复修正模型还有进一步提升的空间。水泵断电过程中蜗壳内部流动紊乱程度大,二次流,漩涡,流动分离等现象比较严重。这为可逆机水泵工况断电过程中压力突变的定量分析提供了一种新的方法,也为其它工况的计算以及可逆机转轮的水力设计提供了一种新的参考,同时,用CFD技术直观的反映了可逆机不同工况点的水力性能,拟补了经验数据的不足。对于可逆机的转轮设计以及结构优化都有一定的应用价值。


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