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硕 j 。严付论文 摘要 为达到必需的电网调节能力，电力系统中应至少装有总容量5 的抽水蓄能 电站，若要达到较好的调节能力，则需要有总容量1 0 的蓄能装机。“十二五” 抽水蓄能规划中有专家认为，抽水蓄能机组设备国产化能力的不足，增加了抽水 蓄能电站的投资成本，影响了抽水蓄能电站的发展。 可逆式水轮机两种工况点并不重合，故无论是转轮的设计或选型都需要一定 的折衷，在确定基本参数的基础上从一个工况开始，使用现有的水力设计方法进 行计算，再用另一个工况来校核。本文在此设计理念的基础上设计出了满足性能 要求的转轮，并尝试性的研究了可逆机不同工况点的水力性能。 转轮设计借鉴低比转速混流式水轮机的叶片设计原理，对一给定参数的可逆 机利用水轮机设计理论进行水力设计、三维造型、i c e m 网格划分，考虑到高应 变率和大曲率过流面等因素的影响采用r n gk s 模型来封闭求解n s 方程。采 用有限元体积法进行离散，离散方程的压力速度耦合的处理采用压力耦合方程 组的半隐式方法( s i m p l e c ) 算法。利用f l u e n t 软件模拟并反复修证模型，预测了 可逆机设计工况下的转轮效率。分析了不同工况点中蜗壳，转轮，尾水管的压力 场和速度场的变化，以及内部漩涡的生成原因对其此处压力场、速度场的影响。 数值实验结果表明可逆机水轮机工况的最优效率达到9 1 ，水泵工况的最优 效率达到8 2 ，反复修币模型还有进一步提升的空间。水泵断电过程中蜗壳内部 流动紊乱程度大，二次流，漩涡，流动分离等现象比较严重。这为可逆机水泵工 况断电过程中压力突变的定量分析提供了一种新的方法，也为其它工况的计算以 及可逆机转轮的水力设计提供了一种新的参考，同时，用c f d 技术直观的反映 了可逆机不同工况点的水力性能，拟补了经验数据的不足。对于可逆机的转轮设 计以及结构优化都有一定的应用价值。 关键词：可逆式水泵水轮机；数值模拟：三维模型；网格；结构优化：s i m p l e c 算法 可逆式水泵水轮机水力改计及i 部流场分析 a b s t r a c t t oa c h i e v et h en e c e s s a r ya d j u s t m e n ta b i l i t yo ft h en e t w o r k a tl e a s t5 o ft h et o t a l c a p a c i t yo fp u m p e ds t o r a g ep o w e rs t a t i o ns h o u l db ei n s t a l l e di nt h ep o w e rs y s t e ma n d 10 t oa c h i e v eb e t t e ra d j u s t m e n ta b i l i t y e x p e r t so fp u m p e d s t o r a g ep l a ni n ”12 t hf i v e - y e a r ”b e l i e v e dt h a tt h ei n a d e q u a t ed o m e s t i cc a p a c i t yo fp u m p e d - s t o r a g e f a c i l i t i e sh a di n c r e a s e dt h ei n v e s t m e n tc o s t sa n di n f l u e n c e dt h ed e v e l o p m e n to f p u m p e d s t o r a g ep o w e r s t a t i o n p u m p t u r b i n e st w oc o n d i t i o n sd o n tc o i n c i d e ，s ow h e t h e rt h ed e s i g no rs e l e c t i o n o ft h er u n n e rr e q u i r e ss o m ec o m p r o m i s e b a s e do nt h ed e t e r m i n e db a s i cp a r a m e t e r s ，a c o n d i t i o nw a sc a l c u l a t e du s i n ge x i s t i n gh y d r a u l i cd e s i g nm e t h o d sf r o mt h es t a r ta n d c h e c k e db ya n o t h e rc o n d i t i o n i nt h i sp a p e r ，t h er u n n e rw h i c hc a nm e e tt h e p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t sw a sd e s i g n e do nt h eb a s i so ft h i sc o n c e p ta n da t t e m p t e dt o s t u d yt h ep u m p sh y d r a u l i cp e r f o r m a n c ed u r i n gd i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n s t h er u n n e rd e s i g nu s e st h ed e s i g np r i n c i p l eo fl o ws p e c i f i cs p e e df r a n c i s t u r b i n e sb l a d e ，t h e nh y d r a u l i cd e s i g n ，3 dm o d e l i n ga n di c e mm e s h i n gw e r ec a r d e d o nap u m p - t u r b i n ew i t hg i v e np a r a m e t e r s t a k i n gi n t oa c c o u n tt h ef a c t o r so fh i g h s t r a i nr a t ea n dc u r v a t u r eo v e rt h es t r e a ms u r f a c e ，r n gk - m o d e lw a su s e dt os o l v e n se q u a t i o n s t h ef i n i t ev o l u m em e t h o dw a su s e dt od i s c r e t ea n ds i m p l e c a l g o r i t h mw a su s e dt os o l v ep r e s s u r e - s p e e dc o u p l i n ge q u a t i o n s b ys i m u l a t i n gt h e m o d e lw i t ht h es o f t w a r eo ff l u e n ta n dc o r r e c t i n gr e p e a t e d l y ，t h ee f f i c i e n c yo f p u m p - t u r b i n eu n d e rd e s i g nc o n d i t i o nw a sp r e d i c t e d b e s i d e s ，t h ec h a n g e so ft h e p r e s s u r ef i e l da n dv e l o c i t yf i e l di nv o l u t e ，r u n n e ra n dd r a f tt u b ew e r ea n a l y z e dd u r i n g d i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，t h e nt h ep a p e ri l l u s t r a t e dt h ei n f l u e n c eo fi n t e m a l w h i r l p o o l sg e n e r a t i o nc a u s e st ot h ep r e s s u r ef i e l da n dv e l o c i t yf i e l d t h i sd e s i g nm e t h o dh a sp r o v i d e dan e wr e f e r e n c ef o rp u m p - t u r b i n er u n n e r s h y d r a u l i cd e s i g na n dm a d eu pf o rt h el a c ko fe m p i r i c a ld a t ab yu s i n gc f dt e c h n o l o g y t og i v ea d i r e c t - v i e w i n gr e f l e c t i o no fh y d r a u l i cp e r f o r m a n c e ss i m u l t a n e o u s l y ， n u m e r i c a le x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h eo p t i m a le f f i c i e n c yo ft u r b i n e so p e r a t i n g c o n d i t i o nc a nr e a c h91 a n dt h eo p t i m a le f f i c i e n c yo fp u m p sc a nr e a c h8 2 t h e r e w i l lb eaf u r t h e ri m p r o v e m e n ti fm o d i f yt h em o d e lr e p e a t e d l y t h e r ea r eg r e a t t u r b u l e n tf l o w ，s e c o n d a r yi n j e c t i o n ，s w i r la n df l o ws e p a r a t i o ni nt h ev o l u t e t h i sc a n p r o v i d ea n e wm e t h o df o rt h eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so fs u d d e nc h a n g ep r e s s u r ed u r i n g t h et r a n s i t i o nw h e ne l e c t r i c i t yg o e so f fa tp u m pw o r k i n ga n dg i v es o m ee n l i g h t e n m e n t 硕 。7 付沦文 f o rt h ec a l c u l a t i o no fo t h e rt r a n s i t i o np r o c e s s i t sv a l u a b l ef o rp u m p t u r b i n er u n n e r s d e s i g n a n ds t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n k e yw o r d s ：p u m p - t u r b i n e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l ；g r i d ； s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n ；s i m p l e ca l g o r i t h m i 硕十学何论文 1 1 课题目的和意义 第1 章前言 抽水蓄能电站自1 8 8 2 年在瑞士苏黎世问世以来己有百余年的历史，其最初的 设想是将火电站非峰荷时的低价电能转化为峰荷时的高价电能，这一概念目前己 发展为利用抽水蓄能电站调峰填谷、调频调相和事故备用等功能，保障电网的安 全稳定经济运行。) 抽水蓄能电站是一种特殊的水电站，与常规水电站主要的不同之处在于：它 有上、下两个水库将水循环利用，它的机组不仅能像常规水电站一样发电，而且 也能像水泵站那样抽水；不仅供给电网电量，进行调峰，而且能消耗电网的电量， 用于抽水；一般而言，抽水蓄能电站没有自身的能源，它是电力系统发展到一定 阶段的产物。电力系统的用电户，包括工业，农业，市政公用事业、照明、电气 化交通、及其他众多类型，由于各自工作的不同，用电情况也不相同，致使电力 系统的负荷很不均衡，电力系统日负荷在每日的上、下午各有一个高峰，午夜有 一个低谷。抽水蓄能电站是根据能量的转换原理而工作的，它利用午夜系统电力 负荷谷时的多余容量和电量，通过电动机水泵将低处下水库的水抽到高处上水库 中，将这部分水量以位能形式储存起来，待早晚电力系统负荷转为高峰时，再将 这部分水量通过水轮机发电机发电，以补充不足的尖峰容量和电量，满足系统调 峰需求，如此不断循环工作。 研究表明，；为达到必需的电网调节能力，电力系统中应至少装有总容量5 的抽水蓄能电站，若要达到较好的调节能力，则需要有总容量1 0 的蓄能装机【l 】。 截至目前，我国已建的抽水蓄能电站2 0 余座，总装机容量1 5 0 0 万千瓦，在建的1 0 余座，主要分布在经济发达的华东、南方沿海和华北地区。至u 2 0 2 0 年，还需再有 1 5 0 0 0 m w 的新项目建成投产。由此可见，今后我国抽水蓄能电站建设的任务相 当繁重。上世纪9 0 年代以来建设的广州二期、十三陵和天荒坪抽水蓄能电站的机 组都是具有国际最先进水平的设备，可都是进口的机组。“十二五”抽水蓄能规划 中有专家认为，抽水蓄能机组设备国产化能力的不足，增加了抽水蓄能电站的投 资成本，影响了抽水蓄能电站的发展。鉴于我国对抽水蓄能电站的需求与我们的 设计制造能力之间的巨大差距，加速开发我国自己的抽水蓄能机组的设计制造技 术成为当务之急。国内的制造企业已经开始着手这件工作，本文就是这个努力的 一部分。 可逆式水泵水轮机水力设计及内部流场分析 1 2 国内外可逆机研究现状 在国外，从最早的原始装置算起，抽水蓄能机组已有近百年的历史，目前， 抽水蓄能技术发展最快的国家是美国和日本。随着可逆式水力机械理论和设计方 法的不断完善，人们逐渐认识到高水头，大容量的可逆机，可以明显提高经济效 益，因此目前设计并制造这种类型的机组己成为国外各大公司和科研机构的主要 研究方向【2 】。 近年来，随着国内水力资源开发步伐的加快，抽水蓄能电站的建设越来越为 人们所重视，但是人们对抽水蓄能电站的效益认识得比较晚，认识的程度不够深。 究其原因，一是我国的电力系统的规模的发展比发达国家晚，对于抽水蓄能的需 要也比较晚；二是我国的电力工业市场化过程相对于其他行业比较慢，没有建立 起合理的电价体系，峰电和谷电同价，使得抽水蓄能电站的核算永远处于亏损状 态，所以限制了它的发展。这种情况目前发生了很大的变化，表1 1 所示的规划 中的项目之多是个很好的说明。 表1 1 我国规划或在建的抽水蓄能电站 为了进一步加快推广抽水蓄能电站建设，国家发改委能源局分三个阶段推进 抽水蓄能机组的国产化工作。第一阶段以“打捆招标、引进技术、分包制造工作” 为原则，将河南宝泉、广州惠州和湖北白莲河三座抽水蓄能电站1 6 台3 0 万千瓦机 组作为依托工程，经过统一招标，法国阿尔斯通中标，哈尔滨电机有限公司和东 方电机承担引进技术和分包制造任务。第二阶段，发改委又确定了蒲石河电站、 2 n 员f ：。何沦文 黑糜峰电站、呼和浩特三个电站的1 2 台3 0 万千瓦机组作为国产化后续工作依托项 目，并坚持了“国内负责、必要时国外支持”的国产化原则。现阶段，也就是第 三阶段，哈电机和东方电机将作为承包单位，以安徽响水涧4 2 5 万千瓦蓄能机组、 福建仙游4 3 0 ) 千瓦机组、江苏溧1 j h 6 2 5 力千瓦机组为依托项目继续推进机组 研制丌发。 尽管政策要求现阶段要完全实现成套设备自主化，但业主由于对自主技术心 存疑虑，自主化生产并没能真正实现。如今虽然由哈电机和东方电机来承担机组 研制丌发，但业主要求这两家机组供应商必须由一家掌握核心技术的国外企业担 保。 东方电机有限公司副总工程师石清华表示，当前儿在运行中的机组都是来自 国外的技术，目前抽水蓄能技术还由于水头高等因素突破难度很大。关于可逆机 的研究国内有多位老师学者做出许多成果：1 9 8 0 年，兰州理工大学齐学义老师做 了可逆机转轮水力设计的初步探讨，提出逆向设计理论1 3 1 。2 0 0 3 年，华中科技大 学刘伟超做了可逆机转轮的c f d 设计1 4 1 。2 0 0 5 年，清华大学杨琳做了可逆机全 三维逆向设计方法的研究1 5 1 。2 0 0 9 年，清华大学博士冉红娟进行了可逆机的数值 模拟和性能分析1 6 1 。2 0 0 9 年，王焕茂做了关于可逆机转轮叶片速度和压力的计算 1 7 。2 0 1 0 年，淮海工学院的方彦凯对一正向设计的呼和浩特的可逆机组进行模拟， 水轮机和水泵工况的最高效率分别达到9 3 和9 0 5 1 8 1 。2 0 1 0 年，易成勇在水电 站机电技术发表可逆式机组在低水头运行的特性研究【9 l ，等等。但是上述采用的 模型多数是基于水泵设计方法建立的，基于水轮机设计的理论和数据还比较少， 本文基于水轮机设计理论的基础上做可逆机的性能研究，提高可逆机的效率。 1 3 本课题研究的主要内容 随着c f d 技术的快速发展，三维湍流模型能准确地描述流体机械内部的流动 状况，可以对可逆机的流场漩涡、水力损失等进行较准确的预测，为水力设计以 及结构设计的优化提供有力的依据。本文对所设计的可逆机进行性能预测并反复 修正模型，在此基础探索可逆机水泵断电变工况点对以及0 8 q o 工况点、1 2 q o 工 况点的叶片的压力分布、蜗壳的流场漩涡，水力损失等，从而为可逆机的水力设 计、结构优化等提供一定的理论参考。主要内容如下： ( 1 ) 根据给定的设计参数( 水头、流量、效率等参数) 来确定转轮的主要水 力参数和结构尺寸( 比转速、导叶的相对高度、叶片数等) ，采用二元理论方法 结合泵与水轮机的设计方法进行转轮的水力设计和结构设计； ( 2 ) 利用p r o e 和i c e m 进行几何建模和网格的划分： ( 3 ) n 用f l u e n t 软件进行可逆机内部流场模拟计算，详细分析可逆机各部分流 3 可逆式水泵水轮机水力没计及内部流场分忻 j 道的内部流动状态以及水力性能与稳定性，以寻找到合适的外部结构型式及尺 寸。根据研究结果对可逆机的转轮进行改进设计，以提高可逆机的效率。 ( 4 ) 分析流动机理，探求可逆机内流场流动规律，探索可逆机由泵工况变到 水轮机工况的过程中叶片的压力分布以及蜗壳的流场漩涡，水力损失等，从而为 可逆机的水力性能、结构优化提供一定的理沦参考。 1 4 本章小结 本章首先分析了可逆机的研究背景与意义，然后论述了可逆机的围内外发展 趋势以及研究现状，回顾了可逆机的设计理论的，并概要介绍了本文研究的主要 内容，为本课题的顺利进行做了铺垫。 4 硕卜。何沦文 第2 章可逆机水力设计、三维造型及网格划分 可逆机和常规水轮机或水泵一样，基本参数包括转轮直径、转速、水头或扬 程、流量、出力或功率、效率、比转速和空化系数。可逆机两种工况点并不重合， 故无论是转轮的设计或选型都需要一定的折衷，在确定基本参数的基础上从一个 工况开始，使用现有的水力设计方法进行计算，再用另一个工况来校核，可逆机 虽然大多数按照水泵的设计方法进行设计，但它毕竟是用在传统的、水轮机应用 场水电站，水轮机的设计理论对于水轮机工况而言仍具有无比重要的意义。 因此，本章重点介绍可逆机的水力设计，三维造型以及网格划分，为可逆机的流 场分析做准备。 2 1 转轮的水力设计概述 混流式水力机械转轮中的液流运动实际上是很复杂的。但是，为了工程上的 各种实际问题，研究者不得不对真实流体的实际流动做出一些简化与假设。目前， 在可逆机转轮的水力设计中，仍然假设：液体为理想的；转轮中流体的相对 运动为定常运动；叶片数无穷多，且叶片厚度无限薄；转轮内的流体呈轴对 称流动。在前面假设的基础上，根据对轴面流动所作的假设不同而形成了混流式 水力机械转轮叶片的不同设计方法【l o 】： ( 1 ) 假定沿转轮过水断面上的轴面流速分布均匀，即沿过水断面上轴面速度 1 ，。等于常数，此时转轮中任一点轴面流速v 。的大小只与该点所在断面位置的坐 标有关，此谓一元理论方法。 ( 2 ) 假定转轮区域的轴面流动为有势流动，亦即沿过水断面轴面流速，。并不 是均匀分布而是符合势流运动规律，转轮内流动为轴对称的，但是转轮中任一点 的轴面流速v 。与该点在断面上的位置有关，此时该点流速叱要由确定这一点在 轴面位置的两个坐标决定，此谓够= 0 的二元理论方法。 ( 3 ) 假定沿转轮过水断面的轴面流动既不是有势流动也不是轴面流速v 。均、 分布的等速流动，而是按某种给定流速分布的轴面流动，其给定的速度分布规律 是参考实验研究结果来确定的，此谓皑0 的二元理论方法。 ( 4 ) 叶片数为有限数，轴面流动为非轴对称流动，亦即在水流实际运动规律 的条件下进行混流式可逆机转轮的水力设计方法称为三元理论设计法。目前应用 最为广泛的是吴仲华教授提出的所谓“两类相对流面理论 ，利用s ，s 两类相 对流面对流动进行分析，其实质是将三元流动转化为s 和s 相对流面上的两个 二元流动求解。通过求解若干个5 ：流面上的二元流动和平均s 流面上的二元流 动，相互迭代计算逐步逼近得到近似的三元解。 5 可逆式水泵水轮机水力改计及内部流场分析 无论是一元理论设计方法还是二元理论设计方法都假定液体为理想流体，转 轮前的液流为有势流动。由于所应用的设计理论与方法并不完善，只有以丰富的 设计经验与模型试验或者c f d 数值模拟为基础，才能得到各种工况下运行时的效 率、汽蚀和水压脉动等情况，进而得到水力性能优质的转轮。因此，完善设计理 论，改进设计方法，提高设计水平，一直是可逆机设计工作的重点。从目前的实 际情况来看，主要还是以一元或二元理论进行转轮叶片的水力设计【1 0 - - ，l ，然后利 用三元流动理论进行数值计算【1 8 2 7 l ，再根据计算结果来修正水力设计。签于本文 的实际情况，采用q ；0 的二元理论设计方法进行可逆机转轮的水力设计。 2 2 基本参数的确定 2 2 1 转轮的标称直径 假设混流可逆机组和常规水轮机的水头及转速相等，即日，；h r 和1 1 ，= n r 则两种转轮直径的比值将为 ( 2 1 ) 在中低比转速范围内，混流式水轮机的( “。) r 约为0 9 ，离心泵的。“。) p 约 为0 6 ，现设仇p = r r = o 9 5 及k = 0 8 ( 下唰) ，带入( 2 1 ) 式可得：d 。d 一1 4 4 此式说明在同样的水头和转速下，可逆机转轮直径需为常规水轮机转轮直径的 1 4 4 倍。 2 2 2 转速 在可逆机的速度三角形的基础上，为了分析方便，假设泵的进口速度三角形 和水轮机的出1 2 1 速度三角形是相似的，即有( 。u 。) t = ( v u 抽u 。) ，再假设在低 压边上水泵进口水流和水轮机出口水流都足法向的，则由扬程和水头表达式可以 得到在相同的水头条件下两种工况最优点的转速比值为 ( 2 2 ) 此关系说明水泵工况要达到和水轮机同样的水头，转速应比水轮机高约1 8 。由 于这个特性，可逆式机组应该有两种转速。但在工程实际上，双速电机的成本比 较高，因此多数情况下，还是选择一种转速，当然转速的选择需要兼顾两种工况， 由于本文是数值实验且不考虑电机成本，因此选用两种转速。 6 = p r “一h 皇 缉一啡 = 一叶 = 啡珥 坝 ：孑：何沦文 2 2 3 水头或扬程 抽水蓄能机组常以电站静水h 。为分析性能的基准，但水泵理论扬程和水轮 机的理论水头都是按转轮内水流运动条件确定的，并且过流部分存在水力损失。 可逆式转轮在泵工况时产生的理论扬程为 h 胁一战4 - 砟 ( 2 3 ) 水轮机的理论水头则为 h n “= h o 一 ( 2 4 ) 式中纬和体分别为水泵和水轮机工况的过流部分( 包括引水管路和过流部 件) 的总水力损失。由上两式可得 h 盯= h t t + ( h p + h r ) ( 2 5 ) 由此可知水泵的理论扬程应比水轮机的理论水头大( h 尸+ h r ) 。可逆机的有效扬 稗和有效水头的关系由 h p ih n 门盱 和 h r h m 叩h t 确定。如果可逆机在同一转速下运行， 运动桐似时h m h m ，则可得 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 即h p = “r ，并且假设转轮两种工况水流 鲁峋舰r ( 2 8 ) 代入数值可得h p h r 一0 7 2 2 ，由此可知水泵工况比水轮机工况转速高的事实。 需要说明的是，上面的讨论中假定两种工况速度三角形柑似，实际上在两种工况 运行时，转速和水头都不会满足前述关系，所以速度三角形并不相似，以上的结 论都是近似的。 2 2 4 流量和功率 在选择和设计抽水机组时，一方面要求在设计条件下能使水力性能优化，同 时也希望能充分利用发电机的容量。在两种工况下，电机的视在功率分别为 水泵工况1 2 8 1 如。而9 8 历h p q 瓦e叩p ，7 肘c o s c l 0 7 ( 2 9 ) 可逆式水泵水轮机水力设计及内部流场分析 式中电动机视在功率数 c o s 钆= 1 o 功率因数 叼m 电动机效率。 水轮机工况【1 0 j & ；9 8 h r q _ r r r r 6 ( 2 1 n 1 3 ) o n = 一 i 1 ， 。 c o s 以 、 式中& 发电机视在功率 c o s 铭= 0 8 5 助率因数 r 疗发电机效率。 假设水泵工况时电动机端电压比水轮机工况时发电机端电压低5 ，在 s m = 品时其能量关系为 器= 0 9 5 r m r c , r p r r 瓮 亿 墩r m = r o 一0 9 7 ，r p = r r = o 9 0 代入可得h 尸q p h 丁a t ；0 8 5 ，在杨程和水头相等 的特殊情况下，绯q = o 8 5 。此值说明在扬程、水头相等及充分发挥电机作用 条件下，水泵流量比水轮机低约1 5 。在实际中不同的情况比值会不一样。 2 2 5 单位转速和单位流量 为满足实际设计转轮和电站选型的需要，希望得到水泵和水轮机两种工况最 高效率点的单位转速最优比值和单位流量最优比值。在水头相等的条件下，两种 工况的转速和最优点流量是不同的。所以在假定转轮低压边进出水流都是法向的 情况下，转轮高压边上两种工况的速度三角形如图示，图2 1 中a a b c 为水泵工况 出口速度三角形，由于泵的出口水流有偏转，出口水流角履，比叶片安放角卢要 小一些。爿曰c 为水轮机进口速度三角形，假定转轮进i - q 无撞击，则水流角屈， 与叶片安放角卢相等。另外假定两种工况下绝对速度与切线方向的夹角口是不变 的，也就是泵工况的绝对进口角与水轮机工况是相等的，由图2 1 知。 8 硕卜学位论文 圪2 p l r 图2 1 可逆机转轮高压边速度三角形 u 2 p 一圪。2 尸 u l 丁一k l r 因为望。鳖或 圪2 p圪1 r u 2 p k 2 p k “l r 一圪1 r 引用屹：p ；k v u 。2 p 可得 圪盯；r l h r g h r 及v u 2 p ； “l t u l t v o l t 或堡一堑：三一l 圪2 p k l r k g h p q h e u 2 t 将u 用单位转速表示，即 “一旦6 0 刀d 一三6 0 刀l i 历 i i 化简后可得 n ! ! 。 1 1 1 i t 代入数值可得以l l p n l l ra 1 1 2 1 1 6 。 为了求得两种工况下单位流量的最优比值，代入式可得 鳖。堑 r n l i p r l h e r l h r 由于和q 是成正比的，上式可写成 代入数值可得q 1 。p q l i r - 0 9 5 0 9 8 。 9 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 堡 盯k 一屹 = 堡 ”监 堡 盯圪一屹 亡m 兰( 可逆式水泵水轮机水力改讣及内部浙l 场分析 2 2 6 比转速 比转速是现代水力机械号业中使用很广泛的水力参数，它代表了水力机组的 综合特性。两种工况的比转速常用的计算式为 ， 水泵；业h 3 4 = ，z 。瓜 ( 2 2 。) 或者体：可3 6 5 n , f q - - 3 6 5 n l l 瓜 ( 2 2 1 ) 水轮机体一尘h 坐3 4 = 3 1 3 以，。0 磊 由最优单位转速和单位流量的比值关系， 系，即 墅：1 1 71 11 1 蝗 他r n q l 盯 代入前面的比值可得n ，p n ，r = 1 3 5 。 2 2 7 空化系数 ( 2 2 2 ) 也可得到两种工况下最优比转速的关 ( 2 2 3 ) 空化系数也是可逆机的重要参数，其值对电站的建设和机组的安全运行都有 很大的影响。对于可逆机而言，通常决定其空化性能的是泵工况的空化系数。对 于水轮机工况，叶片进口边是高压边，所以头部的压力抬升，这样，头部负压尖 峰的压力将会升高。而在泵工况，头部是低压边，进口负压尖峰的压力将进一步 降低。所以，泵工况叶片表面的最低压力通常比水轮机工况的最低压力更低，空 化系数也就更大。另外，在尾水位高度一定的条件下，尾水管内的水力损失将使 水轮机转轮内的压力升高而使泵叶轮内的压力降低，这是泵工况空化性能低于水 轮机工况的另一个原因。 两种： 况下的空化系数之间，并没有一个确定的比值关系。对于可逆式机组 而言，设计过程中将主要控制泵工况的空化性能。由于多方面因素的影响，本文 对空化性能跳过不做研究。 2 2 8 叶片数及包角 混流可逆式转轮的叶片数最常用的是6 或7 片，高水头转轮可达9 片。在这一 范围内叶片数对水泵工况和水轮机工况的水力性能没有明显影响。有人从避免转 轮叶片与导叶叶片之阳j 发生共振的观点出发，主张转轮叶片数为单数，导叶数为 双数。但经过多处进行的可逆机压力脉动试验结果表明，水泵工况的最大压力脉 1 0 硕十等! 何论文 动振幅发生在叶片频率f 。z l ，水轮机工况最大压力振幅发生在导叶频率 f ， z 。这说明在转轮和导叶之间的水力振动频率是很高的，看不出叶片数的 影响。叶片包角的大小与叶片数及叶片角度有关，用大包角可以形成较长的流道 而使水流平稳，但伴随而来会有较大的摩擦损失。小包角是和较大的叶片角度配 合使用的，对形成宽阔的流道有利。国外有些设计趋向于使用相当大的包角，如 有的建议对h = 1 0 0 m $ 专轮用包角1 5 0 。对h = 3 0 0 m 转轮用1 6 0 。，对h = 5 0 0 m 转轮用 1 7 0 。1 8 0 。但其他的研究试验则表明试验相当小的包角也能得到较好的性 能，如对h = 1 0 0 m 转轮包角用11 0 。1 2 0 。，h = 3 0 0 m 转轮用1 4 0 。1 5 0 。 2 2 9 可逆机其他影响因素 一般的设计希望轴面上的流道面积从低压边到高压边形成一条单调的光滑 曲线，但有些成功的转轮设计其面积的变化规律并不平缓( 例如日本的喜撰山、 英国克拉肯等) 。 水泵的设计实践中低压边的延伸有利于改善泵的空化性能，不过低压边伸出 过多势必会造成叶片内直径减小，单位转速降低，泵的效率也会受到影响。高压 边转轮外缘与导叶之f n j 的问隙很小，从转轮出来的水撞击到导叶上形成压力震 荡，是水泵工况压力脉动的主要来源，有人认为把叶片出口倾斜1 5 。2 5 。角， 可减轻压力脉动。但在水轮机工况时转轮的设计上不必作为主要因素考虑。 2 2 1 0 可逆机基本参数的确定 考虑到上面各种影响因素，最终确定可逆机的没计参数如表2 1 。 表2 1 可逆机参数一览表 流量水头转速导叶高叶片数活动导转轮标活动导圃定导 ( m ( 扬程)( f p m ) 度叶分布 称矗径叶数t叶数量 )( h )( m m ) 圆直径( r a m ) ( m i l l ) 水轮机 工况 3 2 4 02 0 3 85 0 0 水泵工 2 8 8 0 2 0 4 6 0 0 况 6 6 7 265 2 3 7 4 5 02 0 2 3 蜗壳的水力设计及三维造型 蜗壳【2 9 l 是流体进入可逆机的首个过流部件，其主要作用足尽量让来流以一定 的速度环量轴对称地进入导水机构，然后再流入转轮，保证运行平稳，同时还应 可逆式水泵水轮机水力设计及内部流场分析 该满足强度要求。可逆机蜗壳比较接近与水轮机蜗壳，但是与水泵蜗壳的设计相 差较多。由此根据蜗壳等速度矩的水力设计方法获得了蜗壳的单线图，由图2 2 可知，在蜗壳的各个断面中，从进口开始的一些断面为圆形断面，但是，为了保 证向导水部件供水均匀，自蜗壳进口至尾端断面愈来愈小。当圆形断面面积减小 到一定程度时，蜗壳就不能和座环在给定的位置相接。这时根据结构的需要就要 改变蜗壳尾端的断面形状，通常按照面积相等的原则把圆断面变为椭圆形断面， 蜗客单线图如2 2 所示。在p r o e 软件中，首先以进e l 面和坐标中心轴为参照， 每隔1 5 0 建立一个基准平面，再利用草绘工具将蜗壳的各个断面曲线分别草绘在 对应基准平面上，然后利用边界混合工具，按一定次序选取断面曲线生成薄壳结 构的蜗壳曲面如图2 3 。 图2 2 蜗壳水力设计单线 。寸 j 套j 2 4 导水机构的三维造型 图2 3 蜗壳三维模型 可逆机的固定导叶连同其两端的环形结构一起称为座环，起到支撑机组转动 部分和发电机重量的作用。导水机构的主要作用是根据机组负荷的变化来调节水 轮机的流量，以达到改变水轮机输出功率的目的。座环结构主要有两类：一是传 1 2 漶 装 硕二| = 学位论文 统使用的蝶形边座环，一是近年来发展的平行边座环。在结构上，蝶形边座环的 外缘与蜗壳各节的连接处都在同一直径上，由于这一限制，蜗壳的小断面必须使 用椭圆断面，因而造成椭圆断面与蜗壳连接处座环和蜗壳的应力都比较大。平行 边座环的上下环都是平板形，有利用厚钢板制作，也有利于与固定导叶的焊接。 平行式座环的结构允许蜗壳各节的连接点不在同一直径上，因而可以少用和不用 椭圆断面，减少了加二 难度。介于以上优点，本文使用平行边座环。活动导叶【3 0 - 3 3 1 单线图如图2 4 ，固定导叶单线图如图2 5 ，导水机构三维模型如图2 6 。 一。上i 、 。、t 惠、；! o ， ，一，二一一l i 一- 二= 。、。一一，一l - = s 一一严：二o ，一一 一一 一 ，。、 一一一一l、 二 。i 二二二i 一遗、 一一一一一 、一、 图2 4 活动导叶单线图图2 5 固定导叶、特殊固定导叶单线圈及配置方式 2 5 转轮的三维造型 图2 6 导水机构的三维模型 转轮【3 4 】是水力机械的核心部件，转轮水力性能的优劣将影响到可逆机效率的 高低与稳定性的好坏。而转轮是由具有回转特征的上冠、下环和数个叶片构成的。 其中，叶片是雕塑曲面体，形状极为复杂。长期以来，我国工程上都是采用叶片 木模图来表达可逆水轮机转轮的叶片，控制叶片的加工精度与测量的精准性。在 技术条件不够成熟的昔f i ，这种空间扭曲叶片的木模图能够很好地服务于传统的 叶片加工制造，但是木模图的不足随着计算机辅助设计与制造技术的不断更新而 逐渐凸显出来。譬如：山于软件的局限性，直接利用木模图的二维线条进行转轮 叶片的三维造型将导致三维模型出现不i f 常的凹凸现象，也就不能提供精准高效 的叶片数值计算模型：对叶片的流场模拟，水力性能预测以及1 t 片振动等问题的 研究与分析不能直接利用木模图：计算机辅助设计和制造系统不能直接引入木模 图，这就在很大程度上影响了叶片的设计和制造质量【3 6 l 。 1 3 可逆式水泵水轮机水力设计及内部流场分析 卜7 j f _ 一一了气 卜d 2 一、刊 1 4 硕士学位论文 图2 9 叶片平面截线图2 1 0 叶片轴面截线 2 6 尾水管的三维造型 图2 1 1 转轮三维模型 水轮机制造业中，广泛采用扩散收缩扩散型尾水管，利用断面的局部收缩 来防止水流在弯段从壁面脱离，而立式水泵中采用连续的收缩断面，研究表明， 在水轮机工况和水泵工况的绝大部分运行的范围内，两种尾水管对可逆机的影响 不是很明显【3 5 l ，两种类型的尾水管都可以应用。经过初步判断，选用扩散。收缩 扩散型尾水管。尾水管是可逆机最尾端过流部件，其性能的好坏，将影响到可逆 机的效率与稳定性。水流进入转轮，完成能量转换后，将从转轮的出口边流出转 轮被引入尾水管再流向下游。尾水管的功能除了将水流引向下游外，它还能够回 收一部分水流能量，使转轮能够最大化能量回收效率，亦即安装的尾水管能够降 低可逆机转轮出口处的水流能量，增加转轮前后的能量差。尾水管单线图如图 2 1 2 、尾水管三维模型如图2 1 3 。 1 5 图2 1 3 尾水管三维模型 2 7 可逆机的网格划分 黜一= 1 6 硕f ：等：何论文 网格生成的难度与耗费在整个数值计算中占有很大的比例，因此网格生成在实现 流场求解过程中占有举足轻重的地位。 1 9 7 1 年m u r m a n 与c o l e 的模拟首次证明通过c f d 数值计算软件可以得到准 确的物理解，而t h o m p s o n 通过求解p o s s i o n 方程来获得较为光顺的贴体网格， 让网格质量得到很大程度上的改善【4 1 1 ，开创了网格生成技术的发展。因此，紧接 着出现了很多商品化的专业网格生成软件，如g a m b i t 、t g r i d 、i c e m c f d 、 g r i d g e n 、t r u e g r i d 、p r o a m 、i g g 等；还有一些c f d 与有限元结构分析 软件，如a n s y s 、n a s t r a n 与a r i e s 等，同样提供了专业化的网格生成功能， 总而言之，他们的使用方法大同小异，且各软件之间一般都能够共享所生成的网 格文件。故本文采用我校引进a n s y s 公司生产的世界著名的i j 处理软件 i c e m c f d 对几何模型划分网格，它能够为很多流行的c f d 软件提供非常凑效 的分析模型。它除了具有普通的前处理功能外，还具有独特的网格“雕塑”技术 与网格编辑功能、自动抽取表面、修复模型的能力，从而一跃成为目前世界上最 为流行的c f d 前处理网格! e 成软件，能提供高质量的六面体网格、四面体网格 和混合网格。 2 7 1 网格类型 尽管具体的流动问题与数值方法的不同而导致所需网格类型的差异，但生成 网格的方法基本雷同。目前，根据网格点之间的邻接关系，网格可分为结构网格、 非结构网格和混合网格三大类1 4 2 1 。 2 7 1 1 结构化网格 具体来讲，结构化网格是指网格区域内一切节点都具有相同的毗邻单元，如 图2 1 4 所示。结构化网格有很多优点： ( 1 ) 通常采用参数化或样条插值的方法来拟合曲面或空问，这样使得区域 光滑，更接近实际的模型； ( 2 ) 计算区域的边界拟合容易，适合流体与表面应力集中等方面的模拟； ( 3 ) 网格生成的质量好，速度快，数据结构简单，对计算机配置要求相对 较低，计算时问短。 图2 1 4 结构化网格 1 7 1 8 硕卜2 产何论文 网格，其目的是提高计算网格的质量并降低求解区域网格的离散难度。比如，对 于透平叶栅的数值计算问题，结构化网格一般很难保证网格质量，而非结构化网 格不好处理边界层内的网格，若采用混合网格，则能够很好地处理这一问题：在 叶片周围，利用结构化的边界层网格，而在远离边界层区域，则采用非结构网格， 解决了单一类型网格无法保证网格质量的问题。由上可以看出，混合网格实际上 的块网格的一种特殊处理方式，它可以很好地离散复杂的计算域，节省计算机资 源，达到事半功倍的效果，因此混合网格将是未来网格技术的必然发展趋势。 2 7 2 网格单元的分类 网格的基本要素为单元，在结构化网格中，典型的二维网格单元为四边形单 元，三维网格单元为六面体单元；而在非结构化网格中，典型的二维网格单元还 有三角形单元，三维网格单元还有四面体单元和五面体单元，其中五面体单元分 为棱锥形与金字塔形单元等，其典型的二维与三维网格单元分别如图2 1 6 和图 2 1 7 所示。 三氟眵四边形 图2 1 6 典型的二维网格单元 一 h 。 l 卜 、4 ， 图2 1 7 典型的三维网格单元 2 7 3 网格划分过程 由于能量回收可逆机的引水部件与旋转部件比较复杂，利用c f d 前处理软 件i c e m c f d 划分网格时，模型上的, j , i