（动力机械及工程专业论文）混流式水轮机全流道的叶道涡模拟计算.pdf

两华火学硕士学位论文 混流式水轮机全流道的叶道涡模拟计算 动力机械及工程专业 研究生李进军指导教师宋文武 混流式水轮机应用十分广泛，其性能的好坏直接决定了水电站的经济效 益和电站的使用寿命。目前对混流式水轮机的研究，不仅是要提高转轮的效 率，更重要的是研究其运行稳定性。国内外大型混流式机组不断发现或出现 振动、叶片裂纹，并伴随有异常噪音，主要原因是混流式机组经常远离设计 工况运行，在流道中产生脱流空化和涡带。 本论文从计算流体动力学出发，利用先进的商业计算软件f l u e n t ，运 用c f d 的理论与方法，采用s p a r l a r t - a 1 i m a r a s 湍流模型，通过s i m p l e 算法，基于有限体积法的控制方程离散不可压n - s 方程，对一具体水电站的 水轮机一h l a 6 9 6 一l j 1 0 8 ，利用三维建模软件，建立了水轮机的全部过流通 道几何模型，包括蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮及尾水管，并利用f l u e n t 软件的网格划分模块，采用非结构化网格对过流部件进行网格划分及网格质 量检查，对满足要求的网格文件，在完成边界条件初步设置后，进行文件输 出。利用滑移网格技术对单个的网格文件进行处理，构成一个全流道计算文 件，并导入到f l u e n t 软件的计算模块，在完成一系列具体的参数设置后，进 行全流场模拟计算，计算了该电站混流式水轮机在小流量工况、设计流量工 况及大流量工况下蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮以及尾水管在内的全流 场三维非定常湍流模拟，得到了不同工况下蜗壳、导叶、转轮、尾水管流道 内的速度矢量分布、压力分布，导叶、转轮内的流动状态，完善研究和分析 了该型水轮机在不同的运行工况下，在同一周期的不同时刻，固定导叶和活 动导叶之间，活动导叶和转轮叶片之间，叶道之间存在着的旋涡和脱流。小 开度时，转轮进口边正面靠上冠区域的水流撞击现象严重，水流发生撞击 后受到叶片和转轮上冠的影响从上冠向下环横向流动，同时在背面形成较 大的脱流，形成叶道涡，当开度增大时，其涡的情况得到改善。且尾水管在 小流量工况、大流量工况下均会出现不同程度的尾水管涡带，在小流量工况 两华人学硕r l ：学位论文 下这一涡带严重偏心，成螺旋形，压力脉动较大：在大流量工况下这一涡带 紧挨着转轮后收缩，在转动的不同时刻，涡带的形状变化较大；在设计流量 工况下这一涡带得到了明显的改善。 上述研究成果对混流式水轮机全流道的水力优化设计以及指导电站实 际运行均具有重要的学术意义和工程应用价值。 关键词t 混流式水轮机叶道涡空化涡带c f d u 两华人学硕l 学位论文 a b s t r a c t f r a n c i st u r b i n ei s w i d e l yu s e d ，i t sp e r f o r m a n c ed i r e c t l y d e t e r m i n e st h e e c o n o m i cb e n e f i t so fh y d r o p o w e rs t a t i o n sa n dl i f e c u r r e n tr e s e a r c ho ff r a n c i s t u r b i n e ，n o to n l yt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fr u n n e r s ，a n dw h i c hm o r e i m p o r t a n t l y i st h e s t a b i l i t y o fi t s o p e r a t i o n l a r g e - s c a l ef r a n c i sa th o m ea n d a b r o a dt of i n dv i b r a t i o n ，b l a d ec r a c k s ，a n d a c c o m p a n i e db ya b n o r m a ln o i s e ，t h e m a i nr e a s o ni st h a tf r a n c i so f t e nr u na w a yf r o mt h ed e s i g nc o n d i t i o n ，g e n e r a t e d f r o mc a v i t a t i o na n ds w i r li nt h ef l o w i nt h i sp a p e r , s t a r t i n gf r o mt h ec o m p u t a t i o n a lf l u i dm e c h a n i c s ，u s ef l u e n t w h i c hi st h ea d v a n c e db u s i n e s sc o m p u t i n gs o f t w a r e ，u t i l i z et h et h e o r ya n d m e t h o do fc f d ，u s et h et u r b u l e n tc u r r e n tm o d eo fs p a r l a r t - a l l m a r a s ，t h r o u g ht h e a l g o r i t h mo fs i m p l e ，b a s e do nd i s c r e t ei n c o m p r e s s i b l en se q u a t i o no ff i n i t e v o l u m em e t h o d ，f o ras p e c i f i cs t a t i o n st u r b i n e ，e s t a b l i s h e dt h et u r b i n e sw h o l e f l o wp a s s a g e s g e o m e t r i cm o d e lw h i c hu s et h et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n g s o f t w a r e ，c o m p r i s ev o l u t e ，f i x e dg u i d ev a n e ，a c t i v i t yg u i d ev a n e ，r u n n e r , d r a f t t u b e ，a n du s et h em o d u l em e s ho ff l u e n ts o f t w a r e ，d i v i d et h eo v e r - c u r r e n t p a r t sm e s ha n dc h e c kt h em e s h sq u a l i t yw h i c hu s eu n s t r u c t u r e dg r i d ，m e e tt h e r e q u i r e m e n t so ft h eg r i dp a p e r ，o u t p u t f i l ew h e nc o m p l e t ei n i t i a l s e t t i n g so f b o u n d a r yc o n d i t i o n s u s e t h eg r i dt e c h n o l o g yo nas i n g l eg r i dp a p e rt od e a l ， c o n s t i t u t ead o c u m e n to fw h o l ef l o w , a n di m p o r t e di n t ot h ec a l c u l a t i o nm o d u l eo f f l u e n ts o f t w a r e ，c a l c u l a t e dt h ew h o l ef l o ww h e nc o m p l e t i o no fp a r a m e t e r s e t t i n g , c a l c u l a t e dt h ew h o l ef l o wu n s t e a d yt h r e e - d i m e n s i o n a lt u r b u l e n c e s i m u l a t i o no fv o l u t e ，f i x e d g u i d ev a n e ，a c t i v i t yg u i d ev a n e ，r u n n e r a n dd r a f t t u b e ，w h e nt h ef r a n c i st u r b i n ei n t h es m a l lf l o wc o n d i t i o n ，t h ed e s i g nf l o w c o n d i t i o na n dt h el a r g ef l o wc o n d i t i o n s h a v eb e e nt h ev e l o c i t ys p r e a da n d p r e s s u r ed i s t r i b u t i o no fv o l u t e ，g u i d ev a n e ，r u n n e ra n dd r a f tt u b e ，t h ef l o w a g eo f g u i d e v a n ea n dr u n n e r , i m p r o v et h er e s e a r c ha n da n a l y s i so ft h et u r b i n e s s e p a r a t i o nf l u i da n ds w i r lw h e nr u ni nd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，i nd i f f e r e n tc y c l eo f s a m et i m e ，w h i c hb e t w e e nt h ef i x e dg u i d ev a n e sa n da c t i v i t y g u i d e v a n e s ，b e t w e e nt h e f i x e d g u i d e v a n e sa n dr u n n e rb l a d e s w h e ns m a l l o p e n i n g ，t h e r ei sas e r i o u sp r o b l e mo fw a t e ri m p a c to nt h eu p p e rc r o w nr e g i o no f r u n n e r si m p o r ts i d e ，a f t e rt h ei m p a c to c c u r r e d ，f l o wf r o mc r o w nt oc i r c l e ，w h i c h o nt h ei m p a c to fb l a d ea n dr u n n e rc r o w n ，a tt h es a m et i m e ，f o r m a t i o ns e p a r a t i o n m 西华大学硕十学位论文 f l u i di nt h eb a c k a n df o r m a t i o nt h ei n t e r b l a d ew o r t e x w h e nt h eo p e n i n g i n c r e a s e s ，t h ev o r t e xh a sb e e nr e c t i f i e d d r a f tt u b eo c c u rs w i r li nv a r y i n gd e g r e e s w h e ni ns m a l la n dl a r g ef l o wc o n d i t i o n s ，w h i c hw i t has e r i o u so f f - c e n t e r , i n t oa s p i r a l ，a n dl a r g ep r e s s u r ef l u c t u a t i o n t h i sv o r t e xc o n t r a c t i o na f t e rn e x tt ot h e r u n n e rw h e ni nt h el a r g ef l o wc o n d i t i o n s ，t h es h a p eo fv o r t e xh a sl a r g e rc h a n g e s w h e na td i f f e r e n tm o m e n t si nt h er o t a t i n g t h ev o r t e xh a sb e e ns i g n i f i c a n t l y i m p r o v e di nt h ed e s i g nc o n d i t i o n s f o rt h eh y d r a u l i co p t i m a ld e s i g no fw h o l ef l o wp a s s a g ei nf r a n c i st u r b i n e a n dp r a c t i c a l g u i d a n c e t o h y d r o p o w e rs t a t i o n ，t h i sr e s u l t s o ft h e s t u d yh a s i m p o r t a n ta c a d e m i cs i g n i f i c a n c ea n dv a l u eo fe n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s k e y w o r d s ：f r a n c i st u r b i n e ，i n t e r b l a d ew o r t e x ，c a v i t a t i o n ，v o r t e xr o p e ，c f d i v 西华人学硕l ：学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作出了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文 成果归西华大学所有，特此声明。 作者签名司b 垫彳 刷磁各界 日 开 们 炯 年 叩q 两o # 人学硕 ：学位论文 西华大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅，西华大学可以将本论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书； 2 、不保密日，适用本授权书。 ( 请在以上口内划) 学位论文作者签名：碴邕浑 e l 期：研f 加 指导教师签名：字争放 日期：缈厂一阳。 两华人学硕上学位论文 第一章绪论 1 1 课题的来源 1 1 1 课题来源 四川省教育厅重点项目“灯泡混流式水轮机水力及结构优化设计”( 编 号：2 0 0 6 a 0 8 9 ) 。 1 1 2 课题名称 课题名称为“混流式水轮机全流道的叶道涡模拟计算”。 1 2 课题的研究目的和意义 我国水利资源丰富，水利资源理论蕴藏量6 9 4 亿k w ，技术可开发装机 容量5 4 2 亿k w ，经济可开发装机容量为4 0 2 亿k w 。但是，目前我国己开 发和正在开发的水能资源只占经济可开发量的2 7 左右，与欧美发达国家的 水能资源开发量占7 0 左右相比还有相当大的差距。当前我国正处在国民经 济快速增长的阶段，电力资源对国民经济的发展起着关键的因素，同时为了 保护环境，大量关闭一些不达标的小型火电站，这也为水电事业的发展提供 了大量的机会。因此，我国水电资源的开发具有很大的潜力和重要的战略意 义。 近年来，国内外大型机组不断发现或出现振动、叶片裂纹问题，有的甚 至在试运行期间或运行初期就出现叶片裂纹和稳定性问题。如大朝山电站 转轮7 2 h 试运行期问即发生转轮裂纹，小浪底首台投产机组在运行初期发生 大轴严重抖动并伴有异常噪音，经运行1 3 3 0 h 后，即发现1 3 个叶片全部出 现裂纹等问题，被迫停机修复或改进，给电力生产造成较大损失。 混流式水轮机远离设计工况运行时，会产生脱流空化和涡带，引起振动， 并可能产生疲劳破坏乜1 。国内外许多大型混流式水轮机都出现过不同程度的 振动或转轮叶片裂纹、尾水管壁撕裂，有的甚至引起厂房及相邻水工建筑物 共振，危及电站安全运行。 丰满电厂d 1 有6 种型号的水轮机，在半个世纪的长期运行中，曾出现不 同程度的转轮空蚀，叶片裂纹、尾水管里衬撕裂、水力自激振动等严重影响 机组安全稳定运行的问题。 两华大学硕i ：学位论文 万家寨水电站n 1 装有六台机组，水轮机在不同水头、不同负荷下存在不 同程度的振动。叶片出水边靠上冠或下环出现裂纹，卜4 号转轮较严重，5 - 6 号转轮较轻。1 - 4 号水轮机尾水管开裂。2 0 0 3 年，电站开始实行避振运行， 禁止在尾水管压力脉动值。h 大于8 m 的部分负荷区运行，检修时发现转轮 裂纹大幅度减小，其中6 、3 、2 号机转轮没有再次出现裂纹。岩滩瞄1 水轮发 电机组自1 9 9 2 年投运以来，在5 8 m 水头以上，发电机层楼板有一强振区， 振区负荷范围在各水头下约为2 0 m w 左右，且随水头的升高向大负荷方向移 动。岩滩水电站在1 9 9 3 年1 2 月，1 号机组水轮机转轮上冠引水钢板断裂， 甩出约2 m 2 、2 0 r i o n 厚的钢板，撞磨水轮机顶盖被磨成刀刃状，1 9 9 4 年1 月， 2 号机组安装运行刚四个多月，也因与l 号机组同样的问题被迫停机，且发 现转轮叶片有贯穿性裂纹。当导叶开度7 0 ，功率2 1 0 - 3 0 0 m w 时机组出现强 烈振动现象，并引起厂房楼板剧烈振动，振动频率2 0 - 3 0 h z 。实测尾水管脉 动压力0 1 7 m p a ，相对值2 6 2 ，导叶后脉动压力2 0 1 - 3 0 1 m p a ，相对值 3 5 一4 6 8 ，强振时厂房楼板振幅达0 8 3 m m 。强振曾造成尾水管裂纹冒水， 叶片裂纹，上冠引水板开裂与项盖相磨等问题，尤其是转轮裂纹，机组运行 三年，四台机组共修9 次，每次都要停机检修2 0 天以上呻1 。 在高水头较大负荷下产生的共振现象，国内专家一致认为其振因是由于 在导叶后、转轮前存在某一中频激振振源，目前还难于用较充分的理论来解 释。 水头变幅过大的塔贝拉( 8 8 8 7 ) 、潘家口常规机组( 7 3 8 ) 、小浪底 ( 6 6 4 ) 、岩滩( 5 7 ) 等电站，水轮机的运行稳定性和转轮裂纹问题都比较突 出。石泉1 - 3 号水轮机水头变幅也比较大( 5 7 8 9 6 ) ，但直径较小，参数较低， 转轮裂纹问题不如前几个电站严重，但运行稳定性问题也较多口1 。 二滩水电厂阳1 长期担负川渝电网第一调频厂任务，为满足系统的调频、 调压、调峰需要，经常要求在4 9 9 0 - 5 0 1 0 h z 范围内调频，频繁变动机组出 力。二滩电厂对所有机组在不同工况下，作了大量机组振动，摆度实测工作， 发现各机组在各种水头下，当机组运行在1 8 0 - 4 2 0 i 唧之间时，6 台机组均处 于振动区，大大限制了机组的稳定出力范围，为满足系统频率的要求，机组 出力频繁跨越振动区，对水轮机造成严重损伤，各机组转轮都出现了不同程 度的裂纹，也发生过泄水锥脱落等严重问题。二滩机组振动主要是水力原因， 由于水轮机过流部分，包括压力引水管、蜗壳、导水机构、转轮和尾水管内 西乍人学顾 ：学位论文 的旋转涡带所引起的。由于蜗壳内流速较大，水流在蜗壳内的摩擦损失较大， 致使上述两股水流具有不同的能量。它们在蜗壳鼻端后面相遇而扰动，引起 强烈的尾涡。尾涡在很短的时问通过导叶流道，撞击转轮叶片进水边，从而 引起水轮机的振动，同时引起顶盖的水压脉动，导致顶盖振动。随着水轮机 的负荷增大，两股水流的能量差也加大，所引起的涡流更强烈。二滩机组 在带大负荷运行时，项盖振动值严重超标，就是上述原因引起的。 在国外，七十年代水轮机水力稳定性问题也尖锐地显现出来。水轮机在 高水头、部分负荷工况因动态负荷诱发振动，造成转轮叶片裂纹和尾水锥管 开裂一1 ，花了大量人力物力，通过c f d 软件进行分析和预测，补入压缩空气 和改进结构才使水轮机维持运行。 水头变幅过大，设计水头和额定水头偏低，运行负荷调节范围不加安全 限制，制造质量不良的水轮机，空蚀、振动、裂纹问题肯定较多，运行寿命 也会缩短。在引起水轮发电机组水力振动的诸多因素中，导叶和转轮流道中 的旋涡运动以及尾水管中空化涡带的周期性运动所产生的压力脉动是最主 要根源。 目前，对于导叶和转轮内的不稳定流引起的压力脉动及水力振动问题研 究，近年来在逐渐增多，但总的来说，报道的文献及资料仍较少。目前为止， 还没有人提出较完整水轮机组水力振动机理，也没有建立较为准确的计算水 轮机组水力振动的数学模型和数值方法，尤其是各工况下叶片出口边脱流旋 涡及其脉动频率的数学关系等。 近些年以来，随着计算流体力学的发展，数值模拟已成为了研究流体力 学的重要手段，并且得到迅速发展，由于它具有消耗少，时间短，省人力物 力等特点，便于优化设计，比实验研究更自由，更灵活，还能够对实验难以 量测的数据做出估计，以及具有很好的重复性，条件易于控制，可以不断地 改进，模拟计算，再改进，再模拟计算，和它的逼真性等优点。 目前，我国己经投入运行的国内外生产的大型水电机组都不同程度的存 在振动问题或裂纹问题，例如，五强溪电站、岩滩电站、二滩电站、天生桥 级电站【1 0 】、隔河岩电站、李家峡电站、大朝山电站、小浪底电站等。水 轮机运行出现振动或叶片裂纹问题，不仅直接影响电站的经济效益，而且对 工作环境的影响较大，影响运行人员的身心健康。考虑到数值模拟的众多特 点和优点，以及混流式水轮机的过流通道的复杂流态，而要进行实验研究又 两华火学硕l 学位论文 极为困难的情况下，希望通过本课题的研究，对蜗壳，导叶流场，转轮内部 的三维湍流流场进行研究，分析导叶和转轮内部的叶道涡和尾水管中压力脉 动及其规律。 本课题正是出于这样的目的，对水轮机全流道内部流场进行了大量的模 拟计算，研究了不同工况下全流道中的叶道涡规律，特别是固定导叶、活动 导叶、转轮及尾水管中的涡的情况，得到了很多的计算结果，这对提高水轮 机的运行稳定性等综合性能具有重大的指导意义，对降低水电站机组的运行 成本，增加国民的经济效益，促进我国水电事业的发展具有重大的现实意义。 1 3 国内外研究现状及发展趋势 目前对于水力机组压力脉动及其水力振动的研究方法，从大量的资料文 献来看。主要分两个方面：一是以试验研究为主要手段，二是以数值模拟为 主要手段。因为本课题采取的是数值模拟研究方法，这里就数值模拟的研究 现状总结如下： 有关压力脉动和水力振动的实测和实验研究还很多【1 1 1 4 l 。这些研究内容 在压力脉动形成机理的研究方面是有代表性的，并且这些研究成果主要建立 在大量模型试验和电站调查结果的基础上；与此同时，国内外的学者和专家 也充分认识到仅从其外在表现及传统的流场测试手段来研究和认识尾水管 涡带压力脉动机理是不足的。近年来，计算机的技术飞速发展和紊流数值模 拟理论的不断改进，通过数值仿真逐步代替物理实验来提供精确的流场研究 有了希望。基于这种认识，一些学者开始致力于通过数学模拟的手段来研究 这一问题。 国内外各种数值模拟模型有r 双方程湍流模型，体积分数湍流模 型，代数应力湍流模型等等，其计算方法也层出不穷：准三维法，三维势流 法，三维欧拉法，全三维粘性流法等。这些模型与计算方法只是在不同的范 围里，计算得出了各自的结果。但是，随着市场的开放和竞争机制的引入， 国内外的水力机械行业面临着巨大的挑战。用户对厂家提出的性能指标是越 来越高：高的效率，高的抗空化性能，良好的运行稳定性，合理的运行范围 等。作为厂家和科研机构，只有依靠先进的技术才有可能立于不败之地。就 转轮的设计和生产而言，无论是对新建电站的转轮的设计还是对已建电站的 转轮的修形改造，在投标的方案中都要对所提出的转轮主要运行特性进行必 要的预测和评估。在这方面先进的c f d ( c o m p u t e rf l u i dd y n a m i c ) 技 4 西华人学硕j ：学位论文 术显示出极大的优势。现在国外的一些大公司在投标时往往采用无转轮投 标。其投标方案一般是通过转轮设计程序设计的优化方案，并采用先进的流 场分析软件对设计方案进行仿真和性能预估，用数值模拟部分代替模拟实 验，为用户提供转轮的性能指标。在中标后较短时间内就可研制生产出高性 能的转轮，这样既缩短了研制周期，又降低了研制费用，在市场竞争中具有 很大的优势。而我国长期以来，新转轮开发研制的主要手段是根据经验，设 计不同的方案，然后对各种方案进行模型实验，根据实验结果的比较，进一 步改进方案或确定最终设计方案。这样做其代价往往是相当高的：高昂的实 验费用和模型制造费用，烦琐的重复性劳动，大量的人力物力投入，漫长的 研制周期等。有时甚至经过多种方案实验后仍得不到满意的结果。所幸的是， 现在c f d 技术的重要性正在逐渐被认识，随着计算机技术的日新月异和 c f d 技术的同趋成熟，转轮内的流动模拟正日益成为水力机械研究人员重 要的辅助手段。事实上，考虑到湍流流动的复杂性，以及各个不同工况下的 差异性，人工手算是根本办不到的。我们有理由相信在不久的将来，只要加 强相关配套的设施，一定会使水轮机内部流场的计算工作大大减化，并会进 一步提高流动计算的准度和精度。 目前，国内外对于导叶和转轮内的不稳定流引起的压力脉动及水力振动 问题研究主要是针对导叶后卡门涡列所激起的振动，也只是通过经验公式计 算卡门涡列的频率，考察它是否与机组部件的固有频率相近。另外，脱流旋 涡也可激起水力振动，这类振动在我国出现过多次，国外也发生过类似的情 况，瑞典的奔奎和尔门所列举四台混流式水轮机和两台转浆式水轮机的振 动，其振源多数是因为水流在导叶和转轮叶片出口处出现脱流旋涡而激起的 涡列振动i ”j 。但有一些实验表明，在发生振动的工况下，导叶和转轮区没 有观察到脱流，频率与卡门涡的频率相差很远，此时，振动振源既不是卡门 涡列也不是脱流旋涡，有人认为是可能与流速分布不均匀的导叶出口尾迹与 转轮间的互相作用有关。今后，人们对于卡门涡的研究应主要集中在提高计 算卡门涡的频率的精度上。目前人们计算卡门涡的频率是按厂一s , w d ( 式 中，s 为斯特洛哈数，形为相对流速，d 为绕流直径) 这一基本公式来计算 的，但这一公式是在一般的水洞或水槽中水流的速度和压力场是稳定的，也 就是在稳定的逆压梯度下的条件下得出的。但在水轮机中，固定导叶后或活 动导叶前的压力是随水头和开度而变化的。固定导叶尾部的逆压梯度也相应 两乍人学硕i ：学位论文 发生变化l l 副。其结果是使水流分离点的位置及相应流速发生变化。即是说， 卡门涡频率的计算公式中的和d 不应该、也不会是固定不变的。 另一方面，流场数值模拟技术的发展为研究尾水管涡带脉动机理提供了 可能性。数值模拟技术可以使我们全方应了解尾水管涡带形态、流道内部流 场及其与运行工况和几何参数间的关系。同时，如果一种数值模拟方法能够 较准确地计算和预测尾水管内涡带引起的压力脉动的频率、幅值等特征，这 对水轮机水力设计和总体性能预测将是极有效的。在国外，相关的资料并不 多见，因此，在此方面的研究即使在在国际上也是具有先进水平的。不言而 喻，这个方向是极有前景的。但同时，由于偏工况时水轮机内部流态复杂， 充满回流和漩涡，这无疑也是数值模拟中需要解决的主要问题。 表1 - 1 列举了水轮机内部流场解析的数值方法、发展年代及特点掣r 7 1 。 表卜l 水轮机内部流场解析的数值方法、发展年代及特点 t a b 1 1t h en u m e r i c a lm e t h o d ，d e v e l o p m e n ta g ea n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h e i n t e r n a l f l o wf i e l di nt u r b in e 发展主要 方法离散方法特点应用 年代原理 二 5 0 - 变分、有限元法、 假设流动不可压、无旋、 维 7 0 年 加权差分法、边 无粘：只求解1 个变量( 势只局限于简单的导叶、 势 代 余量 界元法、奇 函数或流函数) ，不考虑轴流式水轮机叶栅等 三维效应、旋转效应和粘的计算 流法点分布法 性效应 三 变分、 假设流动不可压、无旋、 用于分析转轮内的流 维8 0 年加权 有限元法、无粘：只求解1 个变量( 势 态、可以在设计工况点 势代余量 差分法、边函数或流函数) ，不考虑 附近得到较合理的速 界元法 旋转和粘性效应，但考虑 流 法 度和压力分布 三维效应，无法计算效率 准正交线假设流动不可压，用 用于分析转轮、导叶内 s l 、s 2法、有限元 s 1 ，s 2 流面迭代求解，可 准5 0 - 的流动，可以在设计工 _ - 流面 法、差分考虑有旋效应和三维效 况附近得到较合理的二二8 0 年 迭代法、奇点分 应：与边界层理论结合， 维代速度、压力分布，应用 求解布法等交 可粗略计算粘性损失和 较广 互应用 计算效率 两华大学硕上学位论文 三 拟压 假波流动个u j 压、无枯；用于分析转轮、导叶及 8 0 - 缩法、 有限筹分 维 9 0 年 压力 法、有限体 求解4 个变量( 三个速度分其他过流部件内部流 欧 代泊松 积法、有限 量和压力) ：考虑三维、有 动，可以在设计：f 况下 拉元法 旋效应：但不考虑粘性效得到较合理的速度、压 法 应，无法计算效率力分布 涡争 流函 有限差分 用于转轮及各过流部 三维8 0 年数法、 法、有限元假设流动不可压：考虑三 件内流动分析，可以在 湍流代压力 法、有限体 维效应、有旋效应、粘性 较人的j ：况范围内得 ( 定校正 积法( 主要 效应：主要利刚各种湍流 到较合理的速度、压力 常) 至今法、速 方法) 模型求解 等分量的分布。用丁转 度校 轮及各过流部件的优 止法 化设计及性能预估 二维压力 用于分析导叶尾部及 假设流动不可压，非定 湍流 1 9 9 8 校正 有限体积常，考虑二维效应、有旋 转轮出口卡rj 涡列，静 ( 非法、速 法 效应、粘性效应：利用各种 动翼干涉( r s i ) 等不 定常 至今 度校稳定冈子对混流式水 流)正法 湍流模型 轮机稳定性的影响 大涡 压力 假设流体弱可压，非定，用于分析尾水管内涡 模拟 2 0 0 0 校正考虑雷诺虑力各向异性带，水锤现象等因素对 和直有限体积 法、速 法 效应，利用“亚格子”方于水轮机稳定性的影 接数 至今度校 法考虑流动中小尺度涡响( 目前仅处于研究阶 值模 正法对于大尺度涡的影响段) 拟 1 4 课题的主要研究内容、途径及技术路线 本课题针对目前应用最为广泛的混流式水轮机，分析和研究其叶道涡产 生的原因，并从全流场的数值模拟出发，研究和计算不同工况下的叶道涡的 规律，为机组的稳定运行提供理论依据。本论文具体对一型号为 i - i l a 6 9 6 - l j - 1 0 8 的水轮机，在三维建模软件中建立此水轮机的全过流通道几 何模型，并采用f l u e n t 软件的网格划分模块，采用非结构化网格对过流部件 进行网格划分，边界条件设置后，进行全流场模拟，最后对数值模拟结果进 行处理，完成固定导叶、活动导叶、转轮叶片间叶道涡的分析，通过对全流 道的分析，得出各过流部件的速度、压力分布情况。主要途径及技术路线如 西华人学硕上学位论文 f ： 1 、根据一具体电站h l a 6 9 6 一l j 一1 0 8 水轮机的实际过流通道，在三维建 模软件中建立此水轮机的全过流通道几何模型； 2 、将三维模型通过软件相互间的输出输入模块，导入到g a m b i t 软件 中进行非结构化网格划分，在划分网格的过程中，采用各自独立的网格系统， 最后对完成的网格文件，用t g r i d 软件把蜗壳、座环、导水机构、转轮和尾 水管通过滑移面结合起来，并且进行文件输出； 3 、利用流动分析软件对包括蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮及尾水 管在内的全流场进行边界条件设定并进行内流场求解计算； 4 、利用f l u e n t 软件自带的后处理模块对求解满足要求的结果进行处 理，得到了h l a 6 9 6 一l j 一1 0 8 水轮机在三种工况( 设计工况、大流量工况、小 流量工况) 时蜗壳、导叶、转轮、尾水管流道内的速度矢量分布、静态压力 分布，分析导叶、转轮内的流动状态( 包括压力分御和速度分布) ，同时详 细地比较分析了该水轮机在不同的工况下，同一周期的不同时刻，固定导叶、 活动导叶以及转轮叶片间的叶道涡的情况。 西华人学硕j ：学位论文 第二章混流式水轮机叶道涡的理论分析 混流式水轮机转轮叶片不可调节，当运行工况偏离最优区时，叶片的绕 流条件变差，水流将在转轮叶片进口产生撞击、脱流，严重时发生空化，尤 其是在小负荷区域，水流将在转轮流道问形成叶道涡，在尾水管中出现正向 旋转的偏心涡带。这些因素均会导致水轮机过流通道中的水力不稳定，出现 压力波动。情况严重时将导致机组振动和出力摆动，造成机组构件破坏，威 胁机组的安全稳定运行1 1 引。 2 1 叶道涡的理论分析 在叶片式流体机械的转轮内部的流动是复杂的三元流动，不是简单的轴 对称流动，不同轴面上的流动情况各不相同，在转轮中各点的轴面速度是由 该点的三个坐标决定。三元流动在理论上更加严密，更加接近于实际的情况。 在叶轮机械中应用三元理论计算方法后，可以预估转轮在不同工况下的 能量损失和汽蚀性能，这就使我们可以用理论计算方法进行不同的设计方案 的初选，减少实验的工作量，同时也能采用理论计算的方法设计出保证高性 能指标的良好转轮。 在实际的转轮中，由于叶片数是有限的，因此流体通过转轮时的流动不 可能是对称的。流体相对于转轮的运动是相对运动，相应的速度为w ，流体 随着转轮的转动是牵连圆周运动，速度为“，方向与圆周相切，流体相对于 静止件的运动是绝对运动，速度为 ，他们有， l ，- u + w ( 2 - 1 ) 当假设叶片为无限多无限薄时，流体质点相对速度的方向与叶片相切， 相对速度与圆周速度间的夹角卢与叶片安放角应相等，流体质点相对运行 的轨迹与叶片的形状相同，对于实际的有限叶片数的转轮来讲，流体的相对 运动又可分解为两个运动：一个是流体流过不转动转轮的运动，一个是流体 流过转动转轮的流动。由于转轮的旋转，流体在其惯性的作用相对于转轮有 一个与旋转方向相反、角速度相等的旋涡，这种旋涡为轴向旋涡，如图2 - i 所示。这两种运动速度的矢量和既为有限叶片数转轮中流体质点的相对速 度。在转轮叶片的出口边上的某点，如图2 - 2 ，当不计质量力影响时，理想 流体的欧拉方程式变为： 两华人学硕1 ：学位论文 立。一三望 ( 2 2 ) 一l 一一一 i 一 j d t po n 向量玎的方向为沿等势线方向既叶片的出口边方向，其加速度d v d t 等于轴 面加速度吒尺( 尺为轴面流线的曲率半径) 与径向加速度疋厂( ，为点到轴 线的距离) 之和，并将加速度分解到玎的方向上，有 监一篮墅丝。! 望 ( 2 3 ) 尺 ，p o n 式中，i l 为等势线( 出口边) 与半径的央角。 f i g 2 1a x i a ls w i r l 图2 - 1 轴向旋涡 f i g 2 2a x i a lr e g i o na n dd e l i v e r ys p e e d 图2 - 2 轴面与出口速度 由相对运动的伯努利方程式( 忽略位置的变化) 旦+ ! 兰。常数( 2 4 ) p 2 将各参数对n 求偏导数，便可得到压强沿转轮出口边在n 方向上的变化 率，即： 堡10pa n 三2 譬o n 堂o n ) - ij 抛o w o ( w r ) o w 跏 砌 砌砌 2 旦一业。- r w 2srww- r ws l nj c l w 业 ( 2 5 ) - 一一 “一，一 l 么一a j 再由速度三角形，可得： 两华大学硕十学位论文 v u 一“一w o o s 式中，为转轮叶片出口的安放角。 考虑到里。一s i n 1 ，将式( 2 5 ) 代入到式( 2 3 ) 中，得： 一例：“一w 业，! 垒翌竺一( u - w c o s f 1 ) 2s i n 比( 2 - 6 ) s i r l一，1 缈 “一w i 二- 一一 将上式展开，整理后得： 业+(警一地)w=-2wcoson r 心n 肛 7 ， i r j 。 上式便表明了转轮出1 ：3 边上相对速度的变化规律。 如图2 - 3 所示为叶轮内流体质点所受到的作用力。设相对流线方向为z 方向，流线的曲率半径为r ，相对速度为w ，相对速度与圆周方向央角为卢。 流体质点受力有：由于流线曲率造成的离心力兰r 脚f ，由于叶轮旋转的离c 心力w 2 r , o d r ，以及相对运动的科氏力一加删川f ，因此在次方向上的力平衡 关系有： ! 望。w 2 r c o s w c o s 卢+ 芝一2 洲 ( 2 8 ) ! 一i 芦+ 一z n ，l z 一巧， f i g 2 - 3t h ea c t i n gf o r c eo fm a s sp o i n ti nt h eb l a d ew h e e l 图2 - 3 叶轮内流体质点所受到的作用力 沿流线x 方向的力平衡方程为： 两华人学硕卜学位论文 三望，w 2 r s i n 卢一w 业 ( 2 9 ) po x a x 当流体质点沿x 方向作相对运动时，式( 2 - 9 ) 可写成 咖一p ( w 2 r d r w d w ) 假定流体是不可压缩的，则可对上式进行积分，得： 一p + 立一w 2 r 2 ；c ( 2 1 0 ) p gj 2 9j z g 由于h ；胛，即上式为：卫+ 掣。c ( 2 1 1 ) p gj 2 9 这实际就是不可压缩流体相对运动时的伯努利方程。 为了求得叶轮内的相对速度w 的分布，可用式( 2 1 1 ) 对流线的法向方向 y 求偏导： 一1 望+ wo w 兰塑。o一! 一4 - i l p ga ) go yga ) 即： 罢- p 罢一w 芸) 鲫卯卵 由于口w r ，= d r ；i o r c o s 卢，则： d yd ， 罢。p ( w 2 r i d r w 罢) ( 2 - 1 2 ) 卿d y卵 比较式( 2 - 1 2 ) 与式( 2 - 9 ) ，化简并整理即有： 一o w 。2 w - 一w ( 2 一1 3 ) 对于工作面， 对于非工作面， ( 2 - 1 4 ) 、，j 监巩 监巩 以 - _ 嵋 西华大学硕卜学位论文 这就是转轮叶片间任一断面上的相对速度沿流线方向变化的微分方程 式，求得该方程即可得到相对速度的分布规律。 因此，在叶轮工作面上的相对速度小，非工作面上的相对速度大。 进一步可将相对速度看成是由两部分组成的，即： w m + w 2 其中，m2 ( 1 素) ，当叶片为直叶片时r ，嵋2 w m ，即相对 于叶轮静止时的平均过流速度，b ( 2 r 。) 仅表示了叶片曲率的影响，w 2 = 曲w 表明叶片工作面上的一b w 和非工作面上的+ b w 大小相等，但方向相反，这 就相当于在封闭叶道内形成了轴向涡流1 1 9 】。其二次流的形状及发生部位见 图2 - 4 所示。 藏 炒 f i g ：2 4t h ef o r ma n dp o s i t i o no fs e c o n d a r yf l o w 图2 _ 4 二次流的形状及发生部位 2 2 变工况下混流式水轮机的运行分析 当电力系统负荷发生变化时，水轮发电机组的出力也相应发生变化，另 外，由于上游和下游水位的变化，水轮机的水头也会有变化。水轮机在水电 站工作时，除过度过程外，应经常保持在额定转速下运行。因此，可以认为 水轮机运行工况，主要取决于流量吼和水头日( 尤其是流量) 的变化。 在水头日、转速n 保持不变时，改变导叶开度口。可以调节流量吼。如 1 3 一 西华人学硕一f ：学位论文 - 二= = 二二= 二一一- 图2 1 所示，为流量变化时，高水头混流式水轮机叶轮进、出口速度三角形。 流量变化时，在叶轮进口绝对速度v 。的数值和方向都发生了变化，使叶片角 届，与相对液流角局不相等，属凡，在叶轮进口形成冲角( 图2 - 5 中， 大流量时为负冲角，小流量时卢为正冲角) 而产生撞击损失，使水轮机 效率下降，同时还可能产生脱流，造成翼型头部的汽蚀。在叶轮出e l ，当流 f i g 2 - 5t h ef r a n c i st u r b i n e sv e l o c i t yt r i a n g l ew h e nf l o wc h a n g e s 图2 - 5 混流式水轮机流量变化时速度三角形 量吼变化时，液流的流动不再满足法向出口或略具正环量的出口条件