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200米水头段混流式水轮机复合转轮水力模型方案开发研究

作　者: 邵元忠
导　师: 齐学义
学　校: 兰州理工大学
专　业: 流体机械及工程
关键词: 混流式水轮机复合转轮正交试验水力设计数值模拟
分类号: TK733.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 11次
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内容摘要

近年来,计算流体动力学——CFD技术已日趋成熟,它在水轮机的模型开发研究和内部流场分析方面的应用越来越广泛。CFD数值模拟能够较准确地获得水轮机内部流场分布及各过流部件内部流动状态信息,为研究水轮机水力模型的水力性能提供了技术支撑,是成功设计出高性能水轮机模型和对现有水轮机进行优化的有效手段。转轮是水轮机的关键部件,它直接将水流能量转换为旋转的机械能。转轮设计的好坏对水轮机的过流能力、水力效率、汽蚀性能、工作稳定性及对变工况的适应性等有很大影响,直接关系到整个机组能否满足工作要求,能否把水能充分地利用起来。而具有长短叶片的混流式水轮机,当其在转速、流量和水头相匹配的情况下,具有使用水头范围广、高效率区宽、出力大、运行平稳、空化性能好等优点,能在很大程度上解决中高水头机组的效率、空化、磨损以及振动等诸多难题,具有极其广阔的应用前景和潜力。为此,开发出性能优良的中高水头混流式水轮机复合转轮,能更加充分、有效地利用水力资源,把潜在的资源优势转化成经济效益和社会效益,具有一定的学术价值和现实意义。根据我国西部水力资源落差较大的特点,本文针对180m—220m水头段的混流式水轮机复合转轮进行设计与优化,运用CFD流场仿真技术对混流式水轮机的内部流动进行探讨研究,最终开发出一个性能优良的混流式水轮机复合转轮的水力模型方案。本文的主要研究内容和创造性成果如下:1、参照水头和比转速相近、性能优良的已有转轮水力模型的几何参数,采用ω=0的二元理论设计方法,对适用于180m-220m水头段混流式水轮机复合转轮进行水力设计,得到了复合式转轮的长叶片翼型,并在此基础上应用长短叶片包角不同的原理,设计出了短叶片翼型;同时对其它过流部件进行了水力设计计算。2、借助Pro/E对已设计出的混流式水轮机复合转轮进行全流道三维实体造型;用ICEM对实体造型划分网格,并解决了网格划分阶段易出现有洞的问题。对初始设计的水力模型方案进行数值模拟,通过分析数值模拟的结果对相关部件的几何尺寸做了修整和改进。3、基于数理统计和正交理论,对影响复合式转轮短叶片设计的叶片数目、长短叶片包角比值以及周向偏置角度三个因素,根据各因素不同水平条件,运用正交试验的方法设计了三因素四水平的16种不同短叶片型式的复合式转轮方案,并对L₁₆（4³）正交方案的数值模拟结果进行极差分析,得出各因素水平对水轮机性能影响的主次顺序;从而确定出水轮机性能最优时长短叶片数目,短叶片周向偏置角度和长短叶片的包角比值的最佳组合方案。4、对匹配最佳的复合转轮水轮机的大流量工况、设计工况、小流量工况进行模拟分析,得到各过流部件内部详细流动信息,结果表明设计工况压力、速度分布最好,非设计工况也基本能满足预期要求。5、设计出了一个性能良好的混流式水轮机复合转轮的模型方案;通过对所设计的混流式水轮机复合转轮水力模型的25个工况点的数值模拟预估了其水力性能,基本上都达到了设计要求和预期效果。

全文目录

摘要  7-8
Abstract  8-10
第1章绪论  10-13
  1.1 课题研究目的和意义  10
  1.2 复合式转轮的国内外研究概况  10-12
  1.3 主要研究内容  12-13
第2章三维湍流数值模拟计算方法概述  13-20
  2.1 计算流体动力学概述  13
  2.2 水轮机数值模拟方法简介  13-19
    2.2.1 湍流流动的基本方程  13-14
    2.2.2 常用的湍流数值模拟方法简介  14-16
    2.2.3 空间离散的数值方法及离散格式  16-17
    2.2.4 湍流模型的选择  17-19
  2.3 商业CFD 软件的简介  19
  2.4 本章小结  19-20
第3章复合式转轮水轮机的水力设计及三维造型  20-33
  3.1 水力设计基本参数  20
  3.2 复合式转轮的水力设计及三维造型  20-25
    3.2.1 转轮设计方法概述  20
    3.2.2 长叶片水力设计  20-24
    3.2.3 短叶片水力设计  24
    3.2.4 复合转轮的三维造型  24-25
  3.3 蜗壳的水力设计及三维造型  25-28
    3.3.1 水轮机蜗壳的主要参数选择  26
    3.3.2 进口断面的计算  26-27
    3.3.3 蜗壳其余断面的计算  27-28
    3.3.4 蜗壳三维实体造型  28
  3.4 导水机构的水力设计及三维造型  28-30
    3.4.1 导水机构的作用  28
    3.4.2 径向式导水机构的水力设计  28-30
    3.4.3 导水机构的三维造型  30
  3.5 尾水管的水力设计及三维造型  30-32
    3.5.1 尾水管的作用  30
    3.5.2 尾水管的选择  30-31
    3.5.3 弯肘型尾水管的水力设计步骤  31
    3.5.4 尾水管的三维造型  31-32
  3.6 本章小结  32-33
第4章水轮机数值计算的网格技术  33-39
  4.1 网格类型  33-34
    4.1.1 结构化网格  33
    4.1.2 非结构化网格  33-34
    4.1.3 混合网格  34
  4.2 网格划分软件的选取  34-35
  4.3 网格划分过程  35-36
  4.4 网格划分有洞问题分析及解决办法  36-38
    4.4.1 有洞问题分析  36-37
    4.4.2 有洞问题解决办法  37-38
  4.5 本章小结  38-39
第5章水轮机内部流场数值模拟及性能分析  39-60
  5.1 初始模型的改进与完善  39-41
    5.1.1 活动导叶的改进与完善  39-41
    5.1.2 尾水管的改进与完善  41
  5.2 复合式转轮短叶片正交法优化设计  41-46
    5.2.1 正交试验方法概述  42
    5.2.2 复合式转轮短叶片正交试验设计方案  42-43
    5.2.3 正交模拟试验结果及分析  43-46
  5.3 复合式转轮水轮机的性能预估  46-50
    5.3.1 性能预估工况说明  46
    5.3.2 能量性能预估及结果  46-48
    5.3.3 水轮机的线性特性曲线  48-49
    5.3.4 转轮的空化性能分析  49-50
  5.4 复合式转轮水轮机三维湍流计算结果及分析  50-59
    5.4.1 流场计算工况点选取说明  50
    5.4.2 数值模拟计算结果  50
    5.4.3 各过流部件的流场计算结果分析  50-52
    5.4.4 三维湍流计算结果显示  52-59
  5.5 本章小结  59-60
结论与展望  60-62
  结论  60
  展望  60-62
参考文献  62-66
致谢  66-67
附录A 攻读学位期间公开发表的论文  67

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