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在CFD基础上分析叶片数对水轮机性能的影响

王异凡  
【摘要】: 小型电站的小容量机组转轮叶片开口小,汛期易被漂浮物堵塞流道,经常须要打开尾水管清除堵塞物;当蝶阀关闭不严并且电站各机组共用一根压力引水钢管时,或虽是单机单管,但电站吸出高度为负时,为防止倒灌事故,检修工作须全厂停电才能进行,严重影响电站经济效益。本课题以铁吾水电站HL220-WJ-71型水轮机为研究对象,提出了通过减少叶片数增强水轮机的过流能力,增加水轮机的出力。既具有学术意义,更具有较高的工程实际意义和经济价值。 本文针对HL220-WJ-71水轮机转轮,分别在改造前后选取四个具有代表性的工况点(最优工况、限制工况、较大导叶开度、小流量工况)进行计算。具体方法是利用FLUENT6.3软件,采用标准κ-ε双方程紊流模型和SIMPLE算法进行计算。通过计算结果分析发现,叶片数的改变对叶片背面压力影响较大,改造后转轮在小流量工况到限制工况区运行时因叶片背面负压产生的翼型汽蚀比改造前好转,在大流量区有所恶化。水轮机运行在最优工况区时,水流在转轮出口处具有不太大的正值环量,改造后的水轮机转轮出口水流旋转较大,因为改造后的转轮最优效率区向大流量工况区偏移,在限制工况和较大流量区运行时,改造后的转轮出口水流旋转比改造前的小。在小流量区运行时,改造前水轮机尾水管直锥段出现明显的与转轮旋转方向相同的偏心涡带,改造后尾水管涡带有所减弱。 文中结合经验公式,利用FLUENT中的表面积分功能,计算了水轮机转轮改造前后随工况的变化效率和出力的变化规律。由计算结果可以看到,在最优工况区运行时,改造后的转轮效率下降2.6%,出力上升了44.92kw;在限制工况运行时,改造后转轮效率上升了0.27%,出力增加了59.29kw;在较大流量下运行时,改造后转轮效率上升了1.96%,出力增加了65.85kw;运行于小流量工况时,改造后的转轮效率比原转轮下降了1.04%,出力下降了1.04kw。另外,将计算结果与改造前后水电站的生产运行和检修数据进行对比,发现与事实相符。由此说明计算结果可靠,较为准确。


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