轴流式水轮机叶片进水边形状对其性能的影响_赵亚萍

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轴流式水轮机叶片进水边形状对其性能的影响_赵亚萍

轴流式水轮机叶片进水边形状对其性能的影响_赵亚萍

靠处转轮室处 R 增大,而靠轮毂处下移,即 R 减小;方 案 2 和方案 3 叶片进水边靠转轮室处位置相同,但靠轮 毂处,方案 2 位置低于方案 3,其不同叶片型线示意图 如图 3b。
2
数学模型及边界条件
2.1 数学模型 轴流式水轮机内部流动是以水为介质的、复杂的三 维流动,可以视为不可压缩流动。本文首先采用四面体 网格对计算域进行网格划分。同时基于 Navier-Stoke (N-S)方程,应用标准 k-ε湍流模型进行计算和分析。 N-S 方程的描述[28]: 质量守恒
Fig.1
图 1 不同年份轴流式水轮机叶片形状 Different blade shapes of Kaplan turbine from different times
第 13 期
赵亚萍等:轴流式水轮机叶片进水边形状对其性能的影响
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1.2 计算域及计算工况点 本文以某模型轴流转桨式水轮机为研究对象,并进 行包含蜗壳、活动导叶、转轮、尾水管在内的整机联合 数值计算,其中固定导叶 12 个、活动导叶 24 个、转轮 叶片 5 个,计算域如图 2 所示。在其余过流部件相同的 情况下,分别对 3 种不同的叶片进水边形状(如图 3 所 示)的转轮进行数值研究,以研究轴流转桨式水轮机叶 片进水边形状对水轮机性能的影响。
其中:p 为压强,Pa;ρ 为密度,kg/m3,Sij 为附加源 项。 2.2 边界条件 本文以蜗壳进口作为计算域的进口,尾水管出口为 计算域出口。具体的边界条件给定如下: 进口给定质量流量,并假设速度方向垂直于蜗壳进 口面;出口给定相对压力;假设壁面无滑移,靠近壁面 区域采用标准壁面函数法进行处理;静止和转动部分采 用动静干涉面。
(1. 西安理工大学水利水电学院,西安 710048; 2. 西安热工研究院有限公司,西安 710032) 摘 要:针对轴流式水轮机叶片几何形状差异对水轮机的运行性能和运行范围产生的影响,研究了轴流式水轮机不同叶 片进水边形状与水轮机性能参数之间的关系。在相同叶片安放角的情况下,对具有 3 种不同叶片进水边形状的轴流式模 型水轮机进行数值研究。研究结果表明:在相同的叶片安放角的情况下,不同的叶片进水边形状不仅可以改变流道中从 轮毂到轮缘的流量及环量分配;而且能够有效的改善叶片正背面压力分布,减小转轮内部的低压区,提高水轮机效率及 空化性能;同时不同的水轮机进水边形状可以调节水轮机运行范围。研究结果可为水轮机的优化设计提供理论指导。 关键词:轴流式水轮机,效率,空化性能,运行范围,叶片进水边形状 doi:10.3969/j.issn.1002-6819.2012.13.016 文献标志码:A 文章编号:1002-6819(2012)-13-0094-06 中图分类号:TK733+.3 赵亚萍,廖伟丽,李志华,等. 轴流式水轮机叶片进水边形状对其性能的影响[J]. 农业工程学报,2012,28(13):94 -99. Zhao Yaping, Liao Weili, Li Zhihua, et al. Effect of shapes of blade leading edge on hydraulic performance of Kaplan turbine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(13): 94-99. (in Chinese with English abstract)

轴流泵叶片不同安放角度下的水力性能-水力学论文-水利论文

轴流泵叶片不同安放角度下的水力性能-水力学论文-水利论文

轴流泵叶片不同安放角度下的水力性能-水力学论文-水利论文——文章均为WORD文档,下载后可直接编辑使用亦可打印——摘要:为了探讨角度调节对泵站水力性能的影响,针对一斜式轴流泵装置进行了多工况及多角度下的水力性能仿真计算据此认为通过变角调节并不能有效的提高轴流泵实际运行下的性能;通过对各过流部件的水力损失分析发现随着角度的减小水力损失总体减小,平衡了装置的性能,并未因叶轮扬程的减小整体性能大幅下降;进水流道的水力损失不受叶轮影响,仅与流量相关;出水流道和导叶受叶轮的影响比较明显,水力损失呈现出先下降后上升的趋势;导叶内的损失主要呈现出下降的趋势,随着流量增大经过最高效率点之后略有上升。

关键词:变角调节; 泵装置; 数值模拟; 水力损失;Abstract:In order to explore the influence of angle adjustment on the hydraulic performance of pump stations, the simulation calculation on inclined axial-flow pump device under multipleangles and different working conditions was performed, and it is concluded that the performance of axial-flow pump cannot be efficiently improved by the changing of angle adjustment. Based on the analysis on hydraulic loss of each flow component, it is found that the overall hydraulic loss is reduced with the decrease of the angle and the performance of the device is balanced, which is not significantly declined due to the reduction of the impeller head. The hydraulic loss of the inlet flow channel is not affected by the impeller but is related to the flow rate, while the outlet flow channel and the guide vane are significantly affected by the impeller, and the hydraulic loss shows a trend of decreasing first then increasing. The loss in the guide vane mainly shows a downward trend, with the flow rate increasing after the efficiency point.Keyword:variable angle adjustment; pump device; numerical simulation; hydraulic loss;叶片泵常用的调节方法有变角、变速与变径调节。

轴流式水轮机叶片进水边形状对其性能的影响

轴流式水轮机叶片进水边形状对其性能的影响

轴流式水轮机叶片进水边形状对其性能的影响摘要:这篇文章对于轴流式水轮机叶片几何形状的不同会在一定的程度上对水轮机的运行状态造成一定的影响,从而可以从中找到轴流式水轮机在不同叶片的状态下与水轮机性能参数之间存在的联系。

关键词:轴流式;水轮机;性能;影响1.前言对于该项研究的早期所使用的轴流式水轮机叶片在设计的初期都是采用让叶片的出水边放置在水平面的同一个截面上,在此基础上还要让进水边要根据机翼的形状、大小、长短等多个方面来考虑,然后放置在光滑的空间曲线上。

这样的设计方法,使得叶片在进水位置处和整个机器在运转过程中存在很大的风险和缺陷。

随着科技的飞速发展,计算理论流体力学和计算机技术的发展,在水轮机的各项技术方面都取得了较的的突破,而且相关的技术也得到巨大的革新。

2.轴流式水轮机在发展中的目前现状随着这几年的发展,我国国内的一些学者也对轴流式水轮机的技术革新做很多的工作和研究,比如最近对于该项目提出的新型轴流式水轮机各过流部位的改进方式;轴流式水轮机转轮内空隙空化的主要表现形式和产生的机理的研究等。

在对水轮机内部构造的研究的同时,还对内部构造的流动特性也进行了深入的分析和研究,许多的科研工作者都在花费较大的精力去研究轴流式水轮机叶片的几何参数和水轮机新能之间所存在的差别以及参数的不同会对机器的运行造成怎样的影响。

比如TCVU等学者采用CFDD的技术针对叶片所分成的6种不同的参数标准展开了研究,通过结合想关的几何平均叶片的参数来进行对比来发现各种型号的叶片参数对机器运行的影响[1]。

JNicolle等学者采用CFD的技术来对水轮机叶片制造的过程和打磨的力度等多个方面来入手,通过分析这些存在的细微差别来研究翼型的微小变化会对水轮机的运行造成的影响。

东方水机场的主要负责人赵永志先生在负责建造葛洲坝水轮机时,对于水轮机的最好工程情况以及额定的工程情况和工程内部的流动情况等多个方面进行分析,从而找出了相关的转轮在正常运行过程中所存在的缺陷,然后通过对原来水轮机的叶片的局部进行的一定的修改使得整个机器的运行过程得到改善。

基于CFD的转轮叶片对虹吸式水轮机水力性能的影响分析

基于CFD的转轮叶片对虹吸式水轮机水力性能的影响分析

基于CFD的转轮叶片对虹吸式水轮机水力性能的影响分析俞芸芸;秦战生;周大庆;刘敏【摘要】为了更加高效地利用超低水头水力资源,设计了一种采用虹吸式出水流道的轴流式水轮机.针对这一形式的水轮机,在设计水头和额定转速下采用CFD进行三维数值模拟,计算各过流部件的水力损失,研究水轮机的水力性能.通过改变转轮叶片出水边翼形,对比分析转轮出口水流流态与虹吸式出水流道水头损失的关系,研究不同叶片对虹吸式水轮机水力性能的影响.结果表明,在水头、转速和导叶开度相同的情况下,各修改方案中叶片3使得出水流道水头损失较小,其对应的平均涡角为13.26°,出水流道水头损失为0.135 m,水轮机的效率也较高(为89.33%).此外,选取效率较高的叶片,改变叶片数量,分析其对虹吸式水轮机水力性能的影响.%In order to efficiently utilize the ultra-low head water resources, an axial flow turbine with a siphon outlet conduit was designed, and three-dimensional CFD numerical simulations were conducted with the design head and rated runner speed. The hydraulic loss of each flow passage component was calculated to study the hydraulic performance of the siphon turbine. The relationship between the flow regime at the runner outlet and the head loss of the outlet conduit was analyzed by changing the runner blade airfoil, and the influence of different runner blades on the hydraulic performance of the siphon turbine was studied. The results show that, with a constant water head, runner speed, and guide vane opening, the head loss in the outlet conduit of the turbine in the modified scheme with the third blade is at a minimal value of 0. 135 m, the corresponding average swirl angle is 13. 26o, and the turbine efficiency is at the maximum (89.33%). In addition, the influence of the number of blades on the hydraulic performance of the siphon turbine was analyzed through selection of the blade with the maximum efficiency.【期刊名称】《河海大学学报(自然科学版)》【年(卷),期】2017(045)004【总页数】6页(P298-303)【关键词】虹吸式水轮机;出水流道;叶片;涡角;水力损失【作者】俞芸芸;秦战生;周大庆;刘敏【作者单位】河海大学能源与电气学院,江苏南京 210098;河海大学能源与电气学院,江苏南京 210098;河海大学能源与电气学院,江苏南京 210098;河海大学能源与电气学院,江苏南京 210098【正文语种】中文【中图分类】TV734.1;TK733+.3我国拥有丰富的水力资源,其中高水头水力资源主要集中分布于西南等偏远地区。

轴流式水轮机叶片进口边优化

轴流式水轮机叶片进口边优化

b a e il tp o l ftetr ie Na irSo e q ain a d te NS ld ne rf e o i u bI . ve- tk se u t n h GA—I to s wee u e o i l l o lmeh d r sd t
尸 : +c ( ), l Q— = —c ( —Q), :
小叟 ,
C, 为小 于 1的 系数 , : 三维 叶 片中取 4个 圆柱层 进 行 优 化 。 基 于此 基础 上 的轴 流式 叶 片进 口边 变 化方 法 ,
Th tm ia in o eBld ne o l f o elr u b n s do D s a e eOp i z to f h a eI lt t Pr f eo p l r ieBa e n 2 Ca c d i Pr eT
Z AO Y n L ig q, UO P n — e g Z oj l H a , UO X n —iG e gc n , HU Gu - h m
大 电 机 技 术
轴 流 式 水轮 机 叶 片进 口边 优 化
赵 妍 ,罗兴 镝 ,郭鹏程 ,朱 国俊
f 西安 理 工大 学水利 水 电学 院 ,西安 7 0 4 ) 1 0 8
[ 摘 要] 基于平 面1 栅设计方法进 行叶栅的初步设计与参数化表 达的基础上 .对水轮机叶片 的进 口边进行 1 1 一 优化设计 。该 方法 结合 N s方程流场数值模拟 ,采用 NS 一 . GA Ⅱ多 目标的优化算法 ,通 过控 制叶片轴 向和周向
(F c l f ae s u c sa d H、 r u i o r Xial i e st a ut o tr y W Re o r e n r a l P we , ’l Un v r i d c y

叶片安放角变化规律对液力透平性能的影响

叶片安放角变化规律对液力透平性能的影响

叶片安放角变化规律对液力透平性能的影响王桃;孔繁余;杨孙圣;陈凯;许荣军【摘要】基于ANSYS Bladegen软件,针对不同叶片安放角变化规律分别设计3种前弯叶片液力透平专用叶轮.通过与试验结果对比,确定了合理的数值模拟方案,分别完成了3台透平全流场数值计算.分析了叶片安放角变化规律对透平外特性、压力分布和水力损失分布的影响.结果表明:最优工况时,3个叶轮的效率、压力分布和水力损失分布均相差不大.在非最优工况,安放角采用线性变化规律设计时,透平性能更好,效率曲线更平坦;叶轮出口处低压区域范围较其他2种方案大.水力损失分布显示在叶片进出口安放角及包角相同的情况下,安放角变化规律对蜗壳及尾水管内的流动影响不大,仅对叶轮内的流动产生较明显的影响,叶片安放角呈"S"形变化对透平性能的影响是负面的,线性分布规律相对较好.【期刊名称】《农业机械学报》【年(卷),期】2015(046)010【总页数】6页(P75-80)【关键词】液力透平;安放角变化规律;前弯叶片;数值模拟;性能分析【作者】王桃;孔繁余;杨孙圣;陈凯;许荣军【作者单位】江苏大学流体机械工程技术研究中心,镇江212013;西华大学流体及动力机械教育部重点实验室,成都610039;江苏大学流体机械工程技术研究中心,镇江212013;江苏大学流体机械工程技术研究中心,镇江212013;江苏大学流体机械工程技术研究中心,镇江212013;南京蓝深制泵集团股份有限公司,南京211500【正文语种】中文【中图分类】TH311;TK73叶轮直接决定液力透平的能量转换特性、空化性能和运行稳定性。

离心泵反转透平因其简便经济的特点,广泛应用于能量回收及微型水力发电中[1-3]。

多年来国内外专家对离心泵反转透平叶轮优化和性能提高方面做了不少研究,取得了一定成果[4-7]。

文献[8]从水轮机运行工况,在不改变其他过流部件的条件下,设计了前弯叶片透平专用叶轮,通过试验发现可以显著改善离心泵作透平的性能。

波状前缘叶轮对轴流式水力机械水力性能的影响

波状前缘叶轮对轴流式水力机械水力性能的影响

波状前缘叶轮对轴流式水力机械水力性能的影响摘要:轴向液压机被广泛使用,例如用于向农场供水的轴向泵和城市雨水管道。

轴向液压机的实际运行情况非常复杂,当轴向液压机的运行偏离设计运行状态时,轴向液压机的液压性能明显较低,国内外学者对此进行了大量研究。

研究人员发现流场对轴向泵有重要影响,导叶在泵输出流量中起着重要作用。

导轨可大幅减少回档和出风口,提高轴流泵输出流量,减少能量损失。

同时发现,对于不同的工作方式,可以通过调整后导叶的放置角度来改变导叶输出的流体速度,以满足最佳流动要求,提高轴向液压机的液压性能。

在轴流式喷水泵中还发现水的不均匀性和间距等,可严重影响轴流喷水泵的水力性能。

因此,不同轴向液压机的内部流动对泵的运转和效率有明显影响,采用有效的设计技术对指导轴向液压机的性能,特别是偏离设计点的液压机的性能很重要。

本文在此基础上研究了波纹前轮对轴向液压机液压性能的影响,以供参考。

关键词:波状前缘叶轮;轴流式水力机械;水力性能影响引言随着水电市场竞争越来越激烈,迫切需要建立一个研究和开发周期,研究和开发波纹前轮对轴向液压机液压性能的影响,并迫切需要在制造和维修领域建立物理数字模型,这可能是一个。

1水轮机主要部件结构特点1)转轮。

转轮采用ZG04Cr13Ni4Mo不锈钢材料制造。

叶片采用VOD精炼铸造,五轴数控机床加工。

上冠、下环为铸造,上冠设有与水轮机主轴联接的法兰。

转轮并采用散件运输、现场组焊的整体转轮方案。

2)座环。

座环由上、下环板与固定导叶组成,上、下环板采用S500Q-Z35抗层状撕裂型钢板焊接制成,固定导叶采用S550Q钢板焊接制成。

固定导叶数量为23个,其中12个固定导叶的出水边和上环板以上的相应位置设置有导轨供筒形阀导向用。

座环分6瓣运输,在工地用预应力螺栓把合后进行立面封焊和环板焊接、现场防渗焊接,在环板焊接后进行平面加工。

3)蜗壳。

蜗壳采用B610CF钢板焊接结构,在工地现场数控下料、加工和制作。

叶顶形状对轴流泵空化性能的影响

叶顶形状对轴流泵空化性能的影响
1 数值模拟
1. 1 模型泵的主要参数 选比转数 ns = 700 的南 水 北 调 同 台 试 验 模 型
泵,额定转速 n = 1 450 r / min,额定流量 Q = 392 m3 / h, 叶轮直径 D2 = 200 mm,叶轮叶片数 Z = 5,导叶叶片 数 Z' = 7,叶顶间隙 δ = 1 mm。如图 1 所示。
( a) 平面叶顶 PT ( b) 倒圆叶顶 RT ( c) 斜切叶顶 CT ( d) 倒圆斜切叶顶 RCT
2 结果及分析
2. 1 数值模拟结果与试验结果的验证 在额定工况下,模拟计算原始模型泵全流场的
空化性能,将数值模拟得到的结果与高速摄影试验 结果比较。高速摄影试验在江苏大学 Φ250 mm 轴 流泵不锈钢闭式试验台上进行。试验装置主要由稳 压罐、汽蚀罐、真空泵、进出口测压管、增压泵、涡轮 流量 计、转 速 转 矩 仪、调 节 阀 和 模 型 泵 等 组 成,如 图 4所示。
化点 NPSHc,分别得到 4 种方案的 NPSHc,见表 1。
表 1 不同方案额定流量工况下的性能参数 Tab. 1 Performance parameters under different
flow conditions
参数
扬程 /m 效率 /% NPSHc / m
PT 3. 29 89. 30 3. 02


中,pin为进口绝对压力,Pa;vin为进口速度,m / s;pv 为 水的汽化压力,取 3 574 Pa。
4 种方案总体表现为随着 NPSH 的降低扬程逐
渐降低,且在最终的断裂工况出现之前泵的扬程出
现升高,这种升高是由于叶面空穴空化的发展形成
的[22]。取扬程下降 3% 时的空化余量称为临界空
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表 1 为不同工况时,不同叶片进水边形状的转轮在 其中间截面的相对流量,由表可以看出,水轮机转轮内 的流量分配主要集中在靠转轮室附近,且流量越小,流 道内的流量分配越不均匀。在小流量工况,导叶开度和 转轮转速均较小时,以叶片进水边分配流量为主导,叶 片进水边靠轮缘处的上移和轮毂处的下移,有将水流导 向轮毂部分的趋势,因此相对于方案 1,方案 2 和方案 3 流道内由轮毂到转轮室的流量分配也趋于均匀。在流量 较大的工况下,转轮旋转对水流产生的离心力较大,均 衡了由叶片进水边形状的不同对水流分配的均衡作用, 使水流更多的被甩向转轮室,且随着流量的逐渐增大, 这种趋势越明显。 3.4 叶片进出口流动特性分布 轴流式水轮机中,由于水流从导叶出口到转轮进口 这段流道中不受任何外力矩的作用,水流作等速度矩运 动。因此根据环量计算公式:C=2πCuR(Cu 为绝对速度 的周向分量(m/s);R 为半径(m),即计算点与转轮转轴之 间的距离半径),沿转轮进口环量从轮毂向轮缘随半径 的增加逐渐的增加。
其中:p 为压强,Pa;ρ 为密度,kg/m3,Sij 为附加源 项。 2.2 边界条件 本文以蜗壳进口作为计算域的进口,尾水管出口为 计算域出口。具体的边界条件给定如下: 进口给定质量流量,并假设速度方向垂直于蜗壳进 口面;出口给定相对压力;假设壁面无滑移,靠近壁面 区域采用标准壁面函数法进行处理;静止和转动部分采 用动静干涉面。
1
几何模型及计算域
1.1 轴流式水轮机叶片发展历程 随着水轮机设计方法的日渐成熟以及对其内部流动 特性的准确了解,轴流式水轮机叶片形状以及进出水边 位置的确定也有了很大的改进。如图 1 所示,叶片进出 水边形状由原来的直线型逐渐演变为现在的曲线型,水 轮机叶片形状也由扇形演变为现在的空间扭曲型,这使 得轴流式水轮机的运行性能也有很大的改善[26-27]。
图 5 转轮内空蚀部位分布 Fig 5 Distribution of cavitation position in runner
图 6 转轮中间环面示意图 Fig.6 Middle torus schemes of runner
第 13 期
赵亚萍等:轴流式水轮机叶片进水边形状对其性能的影响 表 1 转轮中间截面沿半径方向各环面相对流量 Relative flow rate distribution at middle section of runner along radius direction
Fig.1
图 1 不同年份轴流式水轮机叶片形状 Different blade shapes of Kaplan turbine from different times
第 13 期
赵亚萍等:轴流式水轮机叶片进水边形状对其性能的影响
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1.2 计算域及计算工况点 本文以某模型轴流转桨式水轮机为研究对象,并进 行包含蜗壳、活动导叶、转轮、尾水管在内的整机联合 数值计算,其中固定导叶 12 个、活动导叶 24 个、转轮 叶片 5 个,计算域如图 2 所示。在其余过流部件相同的 情况下,分别对 3 种不同的叶片进水边形状(如图 3 所 示)的转轮进行数值研究,以研究轴流转桨式水轮机叶 片进水边形状对水轮机性能的影响。
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第 28 卷 2012 nsactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering
Vol.28 No.13 Jul. 2012
轴流式水轮机叶片进水边形状对其性能的影响
赵亚萍 1,廖伟丽 1,李志华 2,阮 辉 1,罗兴锜 1
0


早期的轴流式水轮机叶片设计方法是叶片出水边放 在同一轴截面内,而进水边则根据翼型的长短和位置放 这种形式的叶片进出水边使 在一个光滑的空间曲线上[1]。 得水轮机在运行过程中存在很大的缺陷,如:空蚀性能 较差,叶片容易产生裂纹和断裂等[2-3]。 近年来,计算流体力学和计算机的高速发展以及 CFD (computational fluid dynamics) 在水轮机水力设计中 的应用使得能够准确的认识水力机组内部的流动状态, 随之也出现了多种水轮机优化方法[4-7]以及性能预测方法 [8-12] ,并能够准确的对水轮机的空化磨损[13-15]及运行寿命 [16] 进行预估。目前,国内外学者对轴流式水轮机运行过 程中产生的问题也做了大量的研究。如提出新的轴流式 水轮机各过流部件的改进方法[17-18];轴流式水轮机转轮 内间隙空化的主要形式和产生机理的研究[19-21]等。在对 轴流式水轮机内部基本流动特性进行研究的同时,很多 学者也致力于叶片几何参数对水轮机性能的影响的研 究。T C Vu [22-23]等人采用 CFD 技术首先对含有 6 个不同 叶片轴流式转轮进行研究,并与采用其几何平均叶片的水 轮机进行对比,得出了不同叶片对其运行范围的影响。J Nicolle 等人[24]采用 CFD 对水轮机叶片制造或现场打磨过 程中可能出现的微小差异进行分析,以研究翼型的微小 差异对水轮机运行性能的影响。东方电机厂[25]赵永智对 葛洲坝水轮机转轮最优工况、额定工况的主要内部流动
a.20 世纪 60 年代
b. 20 世纪 70 年代
c. 20 世纪 80 年代初
d. 20 世纪 90 年代
e. 21 世纪
基金项目:国家自然科学基金资助项目(51179152) 作者简介:赵亚萍(1986-) ,女,甘肃正宁,博士研究生,研究方向:流 体机械流动分析、 优化设计等。 西安 西安理工大学水利水电学院, 710048。 Email:zyp0168@
3
结果与分析
Fig.3
图 3 不同进水边形状的叶片几何比较 Geometry comparison for blade with different shapes of blade leading edge
为消除其余因素对研究结果的影响,对于同一叶片 采用三种不同的叶片进水边形状。由图 3a 可以看出,3 种方案中,方案 1 叶片进水边半径 R 由轮毂到转轮室呈 递减趋势;方案 2 和方案 3 相对于方案 1,叶片进水边
收稿日期:2012-03-05 修订日期:2012-05-29
特性进行分析,并找出原有转轮的设计缺陷,并据此对 原转轮叶片的局部几何型线进行优化改进。由上述可知, 轴流式水轮机叶片几何形状的差异对水轮机的运行性能 将产生很大的影响,需对其进行系统的研究。 因此,本文在相同的叶片安放角的情况下,采用 3 种不同的叶片进水边形状,研究不同的叶片进水边形状 与水轮机运行参数、性能参数之间的关系。
96
农业工程学报
2012 年
分配的影响,将转轮中间截面从轮毂到轮缘分为 5 个环 面,如图 6 所示,通过统计各个环面的流量来进行分析。
Fig.4
图 4 叶片表面不同截面正背面压力分布 Blade pressure distribution of different cross sections
3.2 不同叶片进水边的转轮内空蚀部位 水流绕流叶片时速度增加,压力降低,当水流压力 降低到该温度下的汽化压力时,就会产生空蚀。因此本 文在研究不同叶片进水边形状对转轮内部易空蚀部及空 蚀面积的影响时,以水的汽化压力为基准,取不同叶片 进水边形状的情况下转轮内部的等压面,来近似预估转 轮内的空蚀情况。 图 5 所示为不同叶片进水边形状时转轮内空蚀部位 分布,3 种方案时转轮内的易空化部位均分布在叶片背 面。方案 2 和方案 3 能够使得转轮内的低压区面积明显 减小,且消除了方案 1 时叶片进出水边的低压空化区域。 方案 3 相对于方案 2,不仅使转轮内的总空化区域面积有 所减小,同时在叶片背面靠轮毂处的低压区也基本消除, 很好的改善了叶片的空化性能。 3.3 转轮中截面沿半径方向流量分布 水轮机叶片进出水边的形状差异不仅影响水轮机的 过流能力和空化性能,而且影响转轮内部从轮毂到转轮 室的流量分配。本文为研究叶片进水边对转轮内部流量
97
Table 1
截面数 1 2 3 4 5
%
小流量工况 方案 1 8.649 18.193 23.135 25.670 24.353 方案 2 9.245 18.183 22.997 25.528 24.047 方案 3 8.966 18.175 23.036 25.719 24.104 方案 1 12.721 17.706 21.591 24.345 23.637 最优工况 方案 2 12.540 17.622 21.636 24.473 23.729 方案 3 12.492 17.574 21.676 24.465 23.793 方案 1 12.973 17.577 21.449 24.33 23.671 大流量工况 方案 2 12.650 17.505 21.484 24.326 24.035 方案 3 12.615 17.447 21.504 24.376 24.058
靠处转轮室处 R 增大,而靠轮毂处下移,即 R 减小;方 案 2 和方案 3 叶片进水边靠转轮室处位置相同,但靠轮 毂处,方案 2 位置低于方案 3,其不同叶片型线示意图 如图 3b。
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数学模型及边界条件
2.1 数学模型 轴流式水轮机内部流动是以水为介质的、复杂的三 维流动,可以视为不可压缩流动。本文首先采用四面体 网格对计算域进行网格划分。同时基于 Navier-Stoke (N-S)方程,应用标准 k-ε湍流模型进行计算和分析。 N-S 方程的描述[28]: 质量守恒
(ui ) 0 xi
(1)
动量守恒
图 2 轴流式水轮机模型计算域 Computational domain of model Kaplan turine
Fig.2
p ij (uj ) ( u jui ) Sij t x j x j x j
(2)
3.1 叶片压力分布 叶片表面压力分布可直接反映其能量性能及空化性 能。对于轴流转桨式水轮机,其空化部位一般分布在转 轮叶片正背面轮缘头部、转轮室、叶片外缘、叶片背面 下部偏向出水边和轮毂体等局部。 图 4 为不同叶片进水边在不同工况下,叶片正背面 压力分布。由图可以看出,在 3 种方案时,方案 1 由于 叶片进水边靠近轮毂处 R 值要大于靠转轮室处,有将水 流导向转轮室的趋势,同时水流在离心力的作用下也被 甩向轮缘部分,因而在叶片背面进水边靠近轮缘处的相 应部位因大量绕流而存在低压区,使该处易发生空化。 同时,在叶片正面靠近出水边部位,其压力值也相对较 低,这将导致在此部位发生空化空蚀,缩短转轮寿命。 方案 2 和方案 3,相对于方案 1 在叶片进水边靠近轮 缘处的上移,有将水流导向轮毂方向的趋势,因而能够 很好的缩小叶片进水边背面的低压区以及改善叶片正面 进水边附近的水流撞击,明显提高了叶片最低压力值。 同时方案 2 和方案 3 转轮叶片正背面的压力分布较方案 1 更加均匀,这将有利于叶片空化性能的改善。
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