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双列活动导叶串列叶栅对混流式水轮机性能的水利工程影响

时间:2018-11-05 21:53来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是一篇水利工程论文,水利工程需要修建坝、堤、溢洪道、水闸、进水口、渠道、渡漕、筏道、鱼道等不同类型的水工建筑物,以实现其目标。
本文是一篇水利工程论文,水利工程需要修建坝、堤、溢洪道、水闸、进水口、渠道、渡漕、筏道、鱼道等不同类型的水工建筑物,以实现其目标。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇水利工程论文,供大家参考。
 
1 绪论
 
1.1 研究背景及意义
随着水轮机在世界范围内的使用越来越普遍,水轮机安全稳定运行问题已经受到人们的广泛关注[1,2]。总所周知,水轮机的效率已经超过了 93%,同时抗空化性能也明显提高。混流式水轮机在偏离最优工况下,效率显著降低,同时稳定性明显下降。混流式水轮机导水机构是其重要的过流部件,由活动导叶和固定导叶及传动零件组成,其承担的作用主要有调节流量、形成和改变转轮的入流环量。作为机组重要的过流部件,水流经过固定导叶和活动导叶时所产生的水力损失占水轮机组总损失的比重较大,其中活动导叶的水力损失又占主导地位[3];作为调节部件,活动导叶直接影响转轮的进水和出流方向,进而影响水轮机的效率。因此研究活动导叶和固定导叶构成的叶栅流场特性并对其进行优化设计,增强其过流能力和调节能力对优化转轮进口条件、提高水轮机组的整体性能具有十分重要的意义。同时,固定导叶和活动导叶之间的相对位置关系对水轮机的损失有较大影响。因此,研究混流式水轮机双列活动导叶的流场有利于优化双列活动导叶叶栅的设计,同时对优化转轮的水力设计和增强水轮机的整体性能具有重要意义。以前主要是通过试验方法以及给定目标函数的计算方法来研究和优化过流部件[4]。然而,水轮机中的流动是复杂的三维粘性运行,同时固定导叶和活动导叶的位置关系对机组水力性能的影响很大,不仅对水轮机效率影响很大,而且对机组的稳定性也有十分巨大的影响。串列叶栅应用在飞行器的外形设计、轴流压气机叶片和离心叶轮已有多年历史[5],现在水轮机中导叶双列叶栅通常指的是指固定导叶与活动导叶,而双列活动导叶串列叶栅是在单列活动导叶的基础上再增加一排活动导叶。目前,关于双列活动导叶在水轮机上的研究很匮乏,因此研究双列活动导叶对水轮机性能的影响具有很重要的意义。
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1.2 研究现状
 
1.2.1 国内外串列叶栅研究现状
串列叶栅技术最早出现是在二十世纪初期。最初应用在飞机的机翼上,采用开缝式机翼代替原来整体式机翼,从而达到提高飞机升力的目的。后来伴随着二战出现的航空发动机中首次出现了单级轴流压气机的开缝式叶片设计,而且后排叶片的安装角设计为可调的。Sheers[8]将串列叶栅应用于单级轴流鼓风机,在压力系数为 0.95 的情况下将最大效率提高到为 0.96。由于串列叶栅技术在轴流式旋转机械中的成功应用,促使人们考虑将该技术应用在离心式压气机中。Gostelow 和 Watson[9]对离心式抽气泵中的不同排列方式下串列叶栅流场做了相关研究。1977 年 Klassen[10]将串列叶栅应用于离心式压气机转子的设计,他的研究表明串列叶栅比原来的离心式压气机更有利于减少压气机导风轮出口处的流动分离。之后,Knapp[11]于1979 年对串列叶栅在离心式压气机中做了深入研究,同时改进了对传统离心式压气机叶片设计方法,研究表明采用串列叶栅相对于只对叶片几何形状进行优化更佳有利于避免叶轮内的流动分离。Lindner[12]的研究证明在来流条件为低马赫数时,串列叶栅能提高离心压气机的效率并能改善叶轮中的流动状况。Josuhn-Kader 和 Hoffman[13,14]在试验和数值计算的基础上对离心式压气机的气动性能做了系统的优化与分析,通过对转子可调的串列叶栅在不同几何周向位置下的研究,发现串列叶栅不仅可以扩大离心式压气机的运行范围,同时运行时压比和效率都取得了良好的结果。
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2 湍流控制方程和数值计算方法
 
2.1 湍流控制方程
计算流体力学(简称CFD) 是流体力学研究领域中的重要技术之一,CFD是流体力学里新生的“第三种方法”,它与单纯的理论方法和单纯的试验方法平等享有同样的地位。是在基本方程控制下对流动的数值模拟,利用计算机和离散化的数值方法对流体力学问题进行数值模拟和分析。计算流体力学的基本方程主要包括连续性方程、动量方程和能量方程。它们分别是在三大守恒定律的基础上建立起来的反映流体内部运动的微分方程。由于水力机械在数值模拟中的流动是三维粘性且不可压缩的,几乎不存在热量交换,随着数值模拟计算水平的迅速发展,对于水轮机内的复杂三维流动,现在大多采用全三维N-S方程解。求解N-S方程是湍流计算的基础,一般采用直接模拟、大涡模拟和雷诺时均法。本文即采用雷诺时均法进行求解。
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2.2 湍流模型
标准 k-ε 湍流模型在科学研究及工程实际中得到了较为广泛的成功应用,但是应该注意到,k-ε 湍流模型是针对已经充分发展的湍流而创建的,换言之,k-ε 湍流模型仅仅适于高雷诺数的湍流计算模型。在雷诺数流动较低时,湍流在近壁区域还没有充分发展,分子运动仍以粘性作用为主,因此近壁区内可能处于层流状态。该模型仅适用于旺盛的湍流区域,而在近壁面附近,计算时应当应用壁面函数法[45]。混流式水轮机中的非定常湍流现象可以分成三种类型。第一种是由于随着时间变化的几何边界条件或其他外部作用从而导致的非定常湍流现象,如水轮机中的转轮和活动导叶及尾水管之间的相互干涉;第二类为不随时间的变化而变化的边界条件而是由流动的自激作用产生的非定常湍流现象,比如水轮机中的湍流现象,如卡门涡、涡带等;第三类为流动的外部作用结合自激作用产生的非定常流动现象。
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3 双列活动导叶与固定导叶位置关系对水力性能的影响.... 11
3.1 双列活动导叶几何模型的设计....... 11
3.2 数值计算方法........12
3.3 计算结果及分析....13
3.3.1 效率及水力损失分析...........14
3.3.2 水力参数分析.....16
3.3.3 流场分析....18
3.4 本章小结.......20
4 双列活动导叶开度关系的确定........21
4.1 计算模型及计算工况的选择...........21
4.1.1 计算模型....21
4.1.2 计算工况选择.....22
4.2 数值模拟计算方法.........22
4.3 计算结果分析........22
4.4 本章小结.......31
5 双列活动导叶混流式水轮机三维全流道定常分析............33
5.1 几何模型及计算工况的选择...........33
5.2 数值计算方法........34
5.3 计算结果及分析....35
5.4 本章小结.......60
 
6 双列活动导叶混流式水轮机三维湍流非定常计算及压力脉动分析
 
6.1 监控点设置
正确选择压力脉动监控点的位置,对正确测定压力脉动的最大值和最小值和把握压力脉动的特性非常重要,本计算过程中监控点的选择是参考水轮机模型试验压力脉动的要求布置。依次在蜗壳进口处,内列活动导叶后转轮前,转轮内,为了更准确预测出该工况下尾水管压力脉动振动的情况,分别在尾水管进口,锥管段,肘管段上游侧和下游侧布置了监控点。各监控的具体布置情况如图 6-1 所示。在混流式水轮机非定常计算过程中,时间步长的设置关系到计算的收敛速度及计算精度。时间步长设置太小会导致计算时间过长,造成计算资源的浪费,时间步长过大会影响到计算信息的捕捉。为了合理的捕捉到尾水管中的低频压力脉动信息,本次非定常计算中转轮旋转15°为一个时间步长,即时间步长为0.00172431s。水轮机中存在两处动静交界面,分别在转轮和活动导叶之间和转轮和尾水管之间,不同部件之间交界面上的数据按照旋转部件和固定部件的运动规律传递。在定常计算中采用Frozen-Rotor滑移交界面,虽然计算过程中定义的转轮计算域是旋转的,但是在计算时转轮计算域和其他静止计算域始终保持同一相对位置[51]。非定常计算时采用Transient Rotor-Stator 滑移交界面,与之间的Frozen-Rotor模型不同的是,转轮域和静止域之间的滑移界面随着时间的推移不断更新,对应不同的时间步长存在不同的动静交界面,可以准确模拟出转轮在不同的时刻不同位置处水轮机内部非定常流动情况。
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总结
 
在详细总结前人研究成果的基础上,通过对双列活动导叶串列叶栅及双列活动导叶混流式水轮机进行数值模拟研究,并且与模型试验进行对比分析。研究表明,双列活动导叶不仅可以提高导水机构的调节能力,同时还能够在小流量工况下,改善转轮进口的进水条件,有效地减少转轮内的脱流的产生和降低转轮及尾水管内压力脉动。主要的研究内容及结论有:
(1)研究固定导叶和活动导叶之间的位置关系对提高水轮机的整体性能具有重要的指导意义。同时固定导叶和活动导叶存在一个最优的相对周向位置,因此找到这个最优的相对周向位置对研究串列活动导叶具有很重要的意义。在翼型几何型线不变的前提下,将固定导叶沿周向在一个节距内旋转 9 个不同位置分别进行计算,通过分析不同位置的速度矢量、出流角、压力分布情况和水力损失,给出固定导叶与串列叶栅的最佳位置关系。得出导叶的水流角和几何进水角并不相等,同时固定导叶出流角和活动导叶进水角也不相等,存在一定差值,差值在 60°左右时,导叶水力损失最小。结合水轮机效率、各部件水力损失、固定导叶出流角及外列活动导叶进水角来看,当固定导叶和活动导叶数目比为 1:2 时,相对周向位置为 1 或 0 左右时,为固定导叶和串列叶栅最佳位置。
(2)以确定双列活动导叶之间的最佳开度关系为目的,以效率、水力损失为目标函数,结合分析流场特性从两个角度出发,首先保持内列活动导叶开度不变,改变内列活动导叶开度,从而确定了外列活动导叶对水轮机性能的影响;然后改变内列活动导叶的开度,确定了双列活动导叶对改善小流量工况下流态的影响。主要由内列活动导叶控制水头和效率,同时增加内列活动导叶开度后,导叶出流角也逐渐增加。
(3)通过对单列活动导叶和双列活动导叶混流式水轮机全流道进行数值模拟计算发现,单列活动导叶混流式水轮机在叶道涡工况下,上冠附近出现大量的脱流涡,从叶片背面上冠附近一直延续到叶片中部出水边。通过调整双列活动导叶中内列活动导叶和外列活动导叶的开度之后,脱流涡的数量明显减少,同时结合压力云图可以确定,单列活动导叶混流式水轮机从叶道涡发展状态下降到初生状态,这对水轮机的稳定运行有了明显的改善。转轮叶片吸力面处压力提高,同时叶片表面的压力分布变得更加均匀。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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