水力发电中水轮机的结构设计与优化
冲击式水轮机喷嘴CFD优化设计
冲击式水轮机喷嘴CFD优化设计HYDRAULIC OPTIMIZATION DESIGN WITH CFD ANALYSIS METHOD ABOUT THE NOZZEL OF PELTON TURBINE摘要我国是个水资源丰富的国家。
作为利用水资源的能量转换设备水轮机，主要分为两种类型，一种是反击式水轮机，另一种是冲击式水轮机。
国内反击式水轮机已经发展到相当高的水平，但对冲击式水轮机的研究尚显不够，本课题就其部件之一喷嘴的能量指标而对喷嘴进行了数值模拟。
冲击式水轮机具有高水头没有汽蚀条件条件的限制,调节系统比较简单,运行操作方便等优点，广泛应用于高水头水电站中。
本文分析了冲击式水轮机的工作原理、能量损失和参数选择，其中着重分析了喷嘴的结构、工作原理和影响因素；分别介绍了流场分析软件Fluent的计算原理和软件结构，其中重点介绍了其计算原理，从计算流体力学的角度，再现了CFD软件的工作过程及其优缺点；通过以上两方面的理解，为喷嘴的数值模拟的进一步工作打下基础。
根据喷嘴的结构，编写小程序对喷嘴进行了几何建模;并根据喷嘴的工作原理和Fluent的流场计算原理，对喷嘴进行了数学建模;然后根据其几何模型和数学模型对喷嘴进行了数值模拟。
在计算模型选择上，本课题选择二维轴对称粘性两相流模型；在边界条件的给定上，借鉴了哈尔滨电机厂的实验数据。
针对喷嘴两相流后处理编写了后处理程序，应用于喷嘴效率的计算，并通过与传统的方法对比发现，编写的后处理程序计算的喷嘴效率精度明显提高。
通过对喷嘴效率的对比计算发现，喷嘴角度在90度附近达到一个极大值。
对喷针表面静压力分析发现，其静压力并不是沿喷针表面平稳下降的，而在喷针头达到一个极大值，并由此受到启发，分析了喷嘴效率随压力相对行程的关系。
最后，总结分析了喷嘴流量计算公式，改进了流量系数，得出流量系数是喷针相对行程的三次函数。
关键字：喷嘴效率；流场计算；喷嘴流量公式；喷嘴优化设计AbstractIt is abundance in water resource in our homeland. Water turbine that is a energy conversion device of water resource, is mainly include two style. One is impulse reaction turbine, the other is Pelton turbine. It is high level developing of impulse reaction turbine in our country. But it is not enough in Pelton turbine. This paper is mainly about simulation of nozzle which is one part of Pelton turbine.Pelton turbine that has the merit of on vapor erode restrict in high water head, simpleness in adjust system, convenience in running etc. has used generally in high level water and electricity sate.It analyses work principle, energy lost and parameter choice of Pelton turbine. It mainly analyses structure, work principle, and influence factor of nozzle. It introduce compute principle and structure of CFD software Fluent. It mainly introduce the compute principle, according to the angle of CFD, reappearance the work process and well or else of CFD software. It give the element for the following work of simulation of nozzle through the understanding of above.According to the structure of nozzle, it set up the geometry modeling of nozzle through the mini-program. Based on the work principle of nozzle and compute principle of Fluent, it set up the mathematics modeling of nozzle. Then it synthesize the geometry and mathematics modeling for simulating of nozzle. This paper choose two dimension axis symmetry viscosity VOF model, and use for reference the data of experiment of HEC of boundary condition.It write a post-processing program of nozzle for efficiency compute. It is evidence better of precision of efficiency of nozzle by contrasting to result of tradition method. The nozzle angle has a max. number around 90 degree by computing efficiency of nozzle. It find out that the static pressure is not decrease steady by the surface of needle but have a max. number on the pinhead by the analysis of needle static pressure. According to the simulation result of nozzle, sum up a formula of flux computing, find out that the coefficient is thrice function of needle relatively space.Keywords Efficient of nozzle; simulation of fluid field; flux formula of nozzle; optimize design of nozzle目录摘要 ........................................................................................................................ I II Abstract . (IV)目录 (I)第1章绪论 (1)1.1 课题来源及研究的目的和意义 (1)1.2 国内外研究现状及分析 (2)1.2.1 冲击式水轮机喷嘴的研究现状及分析 (2)1.2.2 数值计算的研究现状及分析 (3)1.3本课题的主要研究内容 (4)第2章冲击式水轮机原理及Fluent软件介绍 (6)2.1 冲击式水轮机概述 (6)2.2 冲击式水轮机的工作原理 (7)2.3 冲击式水轮机中的能量损失 (8)2.4 冲击式水轮机喷嘴概述 (8)2.5 冲击式水轮机的参数选择 (9)2.6 Fluent软件的理论基础 (10)2.6.1 流场的数学模型概论 (11)2.6.2 数学模型的离散方法 (13)2.6.3 代数方程组的求解 (14)2.7 Fluent结构简介 (16)2.8 本章小结 (16)第3章冲击式水轮机喷嘴数值模拟 (17)3.1 喷嘴流动的数学模型 (17)3.2 喷嘴角度的几何计算 (20)3.3 喷嘴几何模型的建立 (23)3.4 计算模型的选择 (23)3.5 边界条件的设置 (25)3.6 喷嘴效率计算方法研究 (27)3.6.1 喷嘴效率计算理论 (27)3.6.2 计算结果分析 (28)3.7 本章小结 (32)第4章冲击式水轮机喷嘴CFD优化设计 (33)4.1 效率分析 (33)4.1.1 实验数据分析 (33)4.1.2 优化搜索计算 (34)4.1.3 效率分析结果 (40)4.2 压力分析 (44)4.2.1 流场计算喷针表面静压力分布 (44)4.2.2 与效率联系比较之发现 (49)4.2.3 压力分析结论 (51)4.3 流量系数公式的研究 (52)4.3.1 研究目的及解决思路 (52)4.3.2 原公式计算分析 (53)4.3.3 流量系数公式的拟合 (56)4.3.4 公式总结 (64)4.4 本章小结 (64)结论 (66)参考文献 (67)附录一喷嘴角度计算程序 (70)附录二喷针角度计算程序 (71)附录三喷嘴效率计算程序 (72)攻读学位期间发表的论文 (75)哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 (76)哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书 (76)致谢 (77)第1章绪论1.1课题来源及研究的目的和意义自然界中有很多种能源[19]，目前已被利用的能源主要有热能、水能、风能和核能。
水力发电站的设计及建设方法
水力发电站的设计及建设方法随着人们对环境保护的日益重视，对可再生能源的需求也日益增加。
水力能作为一种重要的可再生能源，被越来越多的国家用于发电。
水力发电站是利用水能转化为电能的工程设施，其发电效率高、耗能低、对环境污染和碳排放量低等优点使得其成为可再生能源中发展前景最广阔的一种形式。
本文将介绍水力发电站的设计以及建设方法。
一、水力发电站的设计水力发电站设计的主要目标是两个方面：一是能够充分利用水能，实现高效发电；二是确保水力发电站的安全性和稳定性。
1. 水电站的选址通常选址需考虑以下因素：（1）水源降雨量、径流量和水源质量等因素。
（2）水源的地理位置与水位高度、水流速度、地形、水流方向等。
（3）水源是否符合水能开发的要求，如是否有足够的落差、流量。
（4）围坝、房屋建筑等建筑物的选址。
（5）是否便于引入输电线路等因素，如从发电站到计量点的距离等。
2. 水电站的内部结构设计水力发电站的内部结构设计主要有三个方面：（1）水导系统的设计。
水导系统是保证水能充分利用的关键，需要满足足够的流量和水头以及额定负载下的流速等技术要求。
同时，还要保证水力机组的安全性，防止内部水流过大导致水力机组受损。
（2）水轮机和发电机组设计。
水轮机是水力发电机组的核心，其结构和性能直接影响水力发电的效率。
发电机的输出能力、绝缘性能、可靠性等也是设计要考虑到的重要因素。
（3）水利建筑结构设计。
水利建筑是确保水能高效利用的关键，主要包括围坝、引水渠、冲砂隧洞和闸门等建筑物。
这些结构的设计需要充分考虑工程土质、岩质及地基条件等因素，趋势保证建筑物的安全和可靠性。
二、水力发电站的建设方法水力发电站的建设通常需要分为如下几个步骤：1. 前期调查阶段前期调查阶段是水力发电站建设过程中关键的一环。
此阶段的任务是全面调查选址，确立工程方案和设计，包括水流测量、水文地质勘察、土木勘察、环境评估、土地征用等关键信息采集。
通过前期调查，可为工程的实施提供必要依据和参考。
水轮发电机结构及工作原理介绍
– 托盘
• 托盘的作用是减小轴瓦的变形。另外，托盘的轴向 柔度在运行中有一定的均衡负荷作用。 • 其材质应选用能承受较大弯曲应力的高强度材料。
– 绝缘垫
• 通常在轴承座下面或推力头与镜板结合面之间装设 绝缘垫，切断轴电流回路，保护轴瓦工作面，并起 到绝缘和调整轴线的双重作用。
– 油的循环冷却
• 轴承的油循环冷却方式有内循环和外循环两种。 • 中小型水轮发电机轴承的油循环冷却方式一般为内 循环。
• 绕组
– 三相绕组由绝缘导线绕制而成，均匀地分布 于铁芯内圆齿槽中。 – 三相绕组接成Y形，它的作用是当转子磁极旋 转时，定子绕组切割磁力线而感应出电势。
定子叠片加固
• 水轮发电机的转子是转换能量和传递转矩的 主要部件，一般由主轴、转子支架、磁轭、 磁极等部件组成。
立轴水轮发电机转子结构
转
•
通风系统 机组运行时，发电机绕组以及铁芯将产生大量的热量，为了使绕组和铁芯的温 度不至于过高而引起绕组绝缘损坏，发电机必须设置通风冷却装置。 • 一个良好通风系统应具备的基本要求 水轮发电机运行实际产生的风量应达到设计值并略有余量。 各部位（特别是定子的有效段）的冷却风量应合理分配，各部位温度分布均匀。 风路简单，损耗较低。 结构简单、加工容易、运行稳定。 有时还能满足水电厂厂房结构以及利用发电机的热风供厂房冬季取暖。 • 通风元件 压力元件：转子磁极、磁轭、风扇。其中磁极、磁轭是主要的压力元件，在整 个通风系统中占80%~90%的作用。 阻力元件：定子。在整个通风系统中，定子风阻占整个风阻的70%
起动试运行的内容和程序 ：
1. 机组起动试运行的工作范围很广，要进行从水工建筑物 到机电设备的全面检查。一般说来包括试验检查和试运行 两大部分，而且以试验检查为主。 2. 起动试运行程序： （1）水轮发电机组试运行前的检查 （2）机组充水试验 （3）水轮发电机组空载试运行 （4）发电机对主变压器和高压配电装置零起升压试验和电 力系统对主变压器全压冲击合闸试验 （5）水轮发电机组并列及带负荷试验 （6）水轮发电机组甩负荷试验 （7）水轮发电机组连续带负荷试验
水电站水力机械设计及安装技术分析
水电站水力机械设计及安装技术分析摘要：我国的水电站经过几十年的发展，已经形成了符合中国实际环境的水力机械设计理念和安装方法，本文拟从水力机械设计中的水轮机、辅助系统、厂房等部分入手，进而分析水电站中辅助系统的合理利用，并最终得出水力机械科学安装的具体途径。
关键词：水电站；水力机械设计；安装技术一、水轮机的机械设计水轮机的机械设计需要综合考虑水电站的运行需求、不同水轮机结构特点、水轮机的设计工艺及材料等因素，以保证水轮机可以满足性能的要求。
1、水轮机的机型选择水电站是一项大型的开发与利用水资源的工程，在这项环节运转的过程中，需要考虑到很多的细节问题。
首先要注意到的就是水轮机的设计与安装问题，水轮机设发电的主要设施，它的正常运转与科学安装在整个工程中占有着十分重要的地位。
水轮机是一种比较重要的设备，在选取与使用它的过程中要做到科学合理。
同时需要注意的环节与因素有很多，水的合理利用是最首要的问题，也要兼顾电站在工作中的施工效率，当然机械是否能够稳定的运转也是很重要的方面。
另外水轮机的选取还要把投资的成本和可能带来的经济效益等因素考虑进来。
2、技术目标参数决定的水轮机选取水轮机的综合性能公式为。
利用该公式，可以确定水轮机其他的性能。
以混流式水轮机为例，利用水轮机的额定水头可以确定初选额定比转速，根据最大水头可以确定额定比转速的上线，进一步，根据额定比转速可以对临界空化系数和电站空化系数进行查询，然后确定高度是否满足要求。
进而根据过机水流所含泥沙量的多少、运行水头变幅、水电站地理环境等对额定比转速进行修正。
根据修正数据进行机械设计，以选择最为适当的水轮机。
3、转轮转轮设计时要根据水轮机的使用功率来进行，对转片的角度与尺寸进行优化，将运转过程中的损耗降至最小。
若水电站的建设规模较大，基础设施很难使用车辆运送到场地中，可按结构进行分离，施工时现场组装，焊接过程中要重点注意各结构的完整性，避免撞击造成结构表面发生形变，影响运转速度。
水电站水工结构的设计与优化
水电站水工结构的设计与优化水电站是利用水力发电的重要设施之一，水电站内部最重要的设备之一就是水工结构。
水工结构主要包括溢洪道、引水隧洞、下游取水口、尾水隧洞以及闸门、水闸、径流调节等设施。
水工结构的设计与优化关系到水电站的经济效益、安全可靠性和环境保护等方面。
本文将详细介绍水电站水工结构的设计与优化。
一、水电站水工结构设计的基本要求水工结构是一些复杂的水利工程，它们不仅需要考虑到经济性和实用性，还需要考虑到安全可靠性，尤其是因为水工结构的失效往往会导致灾难性后果。
水工结构设计的基本要求有以下几点：（1）安全性：水工结构应该具有足够的结构强度和稳定性，能够抵御自然灾害和人为因素的影响。
（2）实用性：水工结构应该能够满足工程的基本要求，如给水、闸门运行、引水、导流等功能。
（3）经济性：水工结构应该设计成最经济的形式，以确保工程的可行性和经济效益。
（4）环保性：水工结构的建设和使用应该尽可能地减少对环境的影响和破坏。
二、水工结构设计的常用工具在水工结构的设计过程中，通常需要用到以下常用工具：（1）计算机辅助设计软件：现代化的计算机辅助设计软件能够快速进行三维建模，实现在不同功能状态下的模拟分析，同时还可以对结构进行有限元分析，验证结构的稳定性和可行性。
（2）结构分析方法：结构分析方法是水利工程领域中常用的分析方法之一，可以用于计算结构的应力、变形、振动等性能指标，从而评估结构的可行性和工作状态。
（3）流固耦合数值模拟方法：流固耦合数值模拟方法是水工结构设计中用于分析水流与结构作用的方法，可以快速地得到水工结构在漫水、洪水等复杂情况下的动力学响应。
三、设计与优化水工结构的设计与优化是复杂的系统工程，需要多学科的知识融合。
在设计与优化过程中，需要关注以下几个方面：（1）结构形式与布局：水工结构一般包括溢洪道、引水隧洞、下游取水口、尾水隧洞、闸门、水闸、径流调节等设施，它们的结构形式和布局直接影响到整个工程的可行性和经济性。
简述水轮机的结构特点及安装方式
简述水轮机的结构特点及安装方式水轮机是利用水流动能进行能量转换的机械，其主要应用于水力发电、水利工程等领域。
水轮机按照工作原理可以分为反击式和冲击式两种类型，其中反击式水轮机又可以分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式等。
水轮机的结构特点和安装方式是影响其工作性能和稳定性的重要因素。
本文将简要介绍水轮机的结构特点及安装方式。
一、水轮机的结构特点水轮机的结构主要由以下几个部分组成：1.转轮：转轮是水轮机的核心部件，其形状和设计直接影响水轮机的效率和工作稳定性。
转轮的作用是将水流的动能转化为机械能，通过旋转的方式输出。
2.座环：座环是水轮机的重要支撑结构，其主要作用是固定水轮机的位置，并将水流的压力传递到机壳上。
座环一般由铸铁或钢板焊接而成，分为上环和下环两部分。
3.导叶：导叶的主要作用是控制水流的流向和速度，使其顺利进入转轮。
导叶一般由铸铁或钢板焊接而成，通过连杆与控制机构相连，可实现调节水轮机出力的功能。
4.机壳：机壳的作用是将水轮机内部的结构与水流隔离开来，同时承受水流的压力和冲击力。
机壳一般由铸铁或钢板焊接而成，分为进水口和尾水管两部分。
5.轴承：轴承的作用是支撑水轮机的转动部分，同时承受转动部分的重量和摩擦力。
轴承一般分为径向轴承和推力轴承两种类型。
二、水轮机的安装方式水轮机的安装方式主要包括以下两种：1.卧式安装：卧式安装是将水轮机水平放置在基础上，转轮和导叶等转动部分朝上，座环和机壳等固定部分朝下。
卧式安装适用于小型水轮机和要求较低的水电站。
优点是安装和维护方便，可利用自然水流进行润滑和冷却；缺点是需要较大的空间和基础，对于大型水轮机来说不够紧凑。
2.立式安装：立式安装是将水轮机垂直安装在基础上，转轮和导叶等转动部分朝下，座环和机壳等固定部分朝上。
立式安装适用于大型水轮机和要求较高的水电站。
优点是可充分利用高度空间，结构紧凑，能够承受更大的水流压力和冲击力；缺点是需要更复杂的安装和维护技术，需要配置专门的润滑和冷却系统。
水轮发电机组组成部件及作用
水轮发电机组组成部件及作用以水轮发电机组组成部件及作用为题，下面将对水轮发电机组的组成部件及其作用进行详细介绍。
一、水轮发电机组的组成部件1. 水轮机：水轮机是水力发电机组的核心部件，负责将水流的动能转化为机械能。
根据水轮机的不同类型，可以分为垂直轴水轮机和水平轴水轮机。
2. 水轮机轴系：水轮机轴系由轴、轴承和机械密封等组成，主要用于将水轮机的机械能传递给发电机。
3. 发电机：发电机是水轮发电机组的重要组成部分，负责将水轮机传递过来的机械能转化为电能。
发电机通常由转子、定子、绕组等部分组成。
4. 调速装置：调速装置用于控制水轮机的转速，以适应不同的水流条件和负荷需求。
常见的调速装置有调速器、调速器油系统和调速器控制系统等。
5. 闸门：闸门用于控制水流的流量和水头，以调节水轮机的运行状态。
闸门通常由闸板、闸槽、闸门操作机构等组成。
6. 水导系统：水导系统由水渠、水管、水轮机进水口等组成，主要用于引导水流进入水轮机。
7. 辅助设备：水轮发电机组还包括一些辅助设备，如变压器、电力传输线路、控制系统、冷却系统等，用于提供电力输出、监控和保护水轮发电机组的运行。
二、水轮发电机组的作用1. 发电：水轮发电机组通过将水轮机传递过来的机械能转化为电能，为社会供应清洁能源，满足人们对电力的需求。
2. 调节水流：水轮发电机组的闸门能够控制水流的流量和水头，根据需求调节水轮机的运行状态，以实现最佳发电效果。
3. 调节电力负荷：水轮发电机组的调速装置可以根据电力负荷的变化，调节水轮机的转速，以保持电力系统的稳定运行。
4. 保护环境：水轮发电机组利用水能进行发电，不产生污染物和温室气体，对环境友好，有助于减少对化石燃料的依赖，降低能源消耗和空气污染。
5. 调节水资源：水轮发电机组可以根据水流情况调节水头和流量，合理利用水资源，防止水流浪费和水灾发生。
6. 提供灵活性：水轮发电机组可以根据需求进行启停和调节，具有较高的灵活性和响应速度，能够适应电力系统的调度要求。
水轮机水力设计3-水轮机的相似理论
轴流式水轮机
水流通过转轮叶片的轴向流动 ，适用于中高水头。
冲击式水轮机
水流冲击转轮叶片，适用于高 水头。
比较
比较不同类型水轮机的性能特 点，选择适合特定工程条件的
水轮机类型。
水轮机性能的预测与优化
01
02
03
性能预测
基于相似理论，利用模型 实验数据预测实际水轮机 的性能。
优化设计Байду номын сангаас
根据预测结果，对水轮机 设计进行优化，提高运行 效率、降低能耗。
相似准则的应用
在水轮机设计和优化过程中，利用相似准则对不 同型号、不同工况下的水轮机进行比较和分析。
通过相似准则，可以预测新设计水轮机的性能表 现，为优化设计和改进提供依据。
利用相似准则，可以在实验室内对小型水轮机模 型进行实验，以预测实际大型水轮机的性能。
03
水轮机相似理论的实际应用
模型水轮机与实际水轮机的比较
关注水轮机内部流动的细节，深入研究水轮机的复杂流动结构
03
和机理。
THANKS
感谢观看
实例分析
分析实际工程中水轮机的 运行数据，验证相似理论 的准确性，为后续工程提 供参考。
04
水轮机相似理论的限制与挑战
相似理论的局限性
模型尺寸限制
相似理论要求模型与实际 水轮机在尺寸上保持一致， 但实际中很难实现完全一 致的缩放比例。
流体特性差异
相似理论假设流体是不可 压缩的，忽略了流体压缩 性对水轮机性能的影响。
相似理论在水轮机设计中的重要性
相似理论是水轮机设计的重要理论基 础，通过相似设计，可以在实验室内 对水轮机进行缩尺实验，预测实际运 行中的性能表现。
相似理论有助于实现水轮机设计的标 准化和系列化，提高设计效率，降低 研发成本。
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水力发电中水轮机的结构设计与优化
一、水力发电
水力发电是指利用水流经过水轮机来转动发电机转子，将水流的动能转换成电能。
水力发电在可再生能源中占据重要地位，是一种比较成熟的发电技术，优点是不会排放污染物，具有环保、经济、可靠的特点。
二、水轮机的基本结构
水轮机主要由转子、定子和水荫罩组成。
其中转子是水轮机的核心部件，由叶轮与轴组成。
当前常用的水轮机有垂直式轴流水轮机和水平式轴流水轮机两种，其中垂直式轴流水轮机的叶轮与轴的排列方向为垂直方向，可以由上往下进水。
水平式轴流水轮机的叶轮与轴的排列方向为水平方向，叶轮是连接在轴上的平面无限延伸的叶片。
三、水轮机的优化设计方法
水轮机的设计一般包括流道和叶轮两个方面，其中流道的设计决定了水的流动状态，叶轮的设计则影响了水轮机的功率输出。
具体的优化设计方法包括几何形状优化、流场数值模拟与优化以及流体固耦合优化等。
1. 几何形状优化
几何形状优化是指对水轮机进行形状方面的优化，主要包括叶轮叶片的几何形状和叶盘、轴的几何形状。
叶轮叶片的几何形状主要影响水轮机的效率和特性，可以通过对称分割、叶片弯曲或变形等方法来进行优化。
而叶盘和轴的几何形状则主要影响水轮机的结构强度和动平衡性能，可以通过降低叶盘和轴的重量和直径等来重新设计。
2. 流场数值模拟与优化
流场数值模拟与优化是指通过计算水流场、压力场等物理量的数值方法来对水轮机进行优化。
该方法需要建立水轮机的数值水力学模型，通过CFD分析流场分布、压力分布等信息，有效地帮助优化叶轮和流道的设计。
同时，数值模拟还可以评估具体流量下水轮机的效率、压力损失和流量系数等重要性能参数。
3. 流体固耦合优化
流体固耦合优化是指在同时考虑水轮机结构和水力学条件的情况下，对水轮机加以优化。
在该方法中，结构力学和水力学模型同时建立，然后通过计算得到水流与叶轮之间的相互作用以及叶轮与结构之间的相互作用，以优化水轮机的性能。
该方法需要重点考虑流固耦合问题，并且需要选取合适的工作流量来评估水轮机的性能指标。
四、水轮机的应用
水轮机广泛应用于水力发电领域，可用于中小型水电站或箭批发电。
其制造成本较低，维护成本也不高，同时具有稳定性能和高度的环保性等优点。
因此，目前水轮机在国内外水力电站中占有重要地位。
总之，水力发电中的水轮机既是关键组成部分也是核心技术，其结构设计与优化对水力发电的效率、可靠性、经济性等方面都具有重要意义。
随着人们对环保和可再生能源的重视程度不断提高，水轮机的应用前景将会更加广泛。