（流体机械及工程专业论文）在cfd基础上分析叶片出水边切割对转轮性能的影响.pdf

硕士学位论文 ! 。1 1i ie e 。ia t 。；i i i ：i i i i 鲁曼量鼍量皇曼曼鼍曼皇曼舅曼曼鼍曼曼曼曼曼 摘要 铁吾水电站位于青海省黄南藏族自治州同仁县境内，其2 # 机组为 h l 2 2 0 一w j 一7 1 水轮机。由于已经运行了2 0 来年，机组设备在性能和结构方面都已陈 日、事故增多、检修频繁。长期运行已使过流部件磨损，特别是转轮、导叶等部件， 由于空蚀和磨损，叶型遭到破坏，且在叶片表面产生不同程度的裂纹。原配12 5 0 k w 发电机先期己增容达到了1 6 0 0 k w ，为充分利用水能资源和发电机容量，电站希望 在引水渠道扩容整修的同时，对2 # 机组转轮进行增容改造，同时探究造成叶片表 面裂纹的原因，以期达到增容增寿的目的。 本课题以铁吾电站2 # 机组h l 2 2 0 - w j 一7 1 水轮机为原型，进行水轮机全流道各 个通流部件的三维建模，通过计算比较，选择了适合混流式水轮机内部流动的湍 流模型和流场计算算法；通过切割转轮叶片出水边的方法，利用c f d 技术研究机组 在几种计算工况下改造前后不同切割量时外特性以及内特性的变化规律，依此确 定转轮叶片沿出水边的切割量并应用于电站的改造实践，使机组效率下降不大的 情况下，出力增加到1 3 3 7 8 k w ；并根据流场计算的结果，利用有限元技术分析改 造前后叶片的静强度以及流固耦合下转轮的前八阶模态固有频率，发现铁吾电站2 # 水轮机转轮的一阶频率与导叶出口脱流引起的脉动频率较为接近，卡门涡的频 率与转轮叶片的高阶频率较为接近，存在较大的危害性，由此得到，造成转轮叶 片表面出水边上冠附近以及进水边靠近下环处产生横向裂纹的原因，是作用在叶 片上的稳定应力和振动交变应力对叶片材料的累计损伤造成的微裂纹和裂纹的扩 展。本课题所采用的方法为老电站设计参数标准低的水轮机增容增寿改造提供了 有益的参考。 关键词：增容改造；数值模拟；流固耦合 在c f d 计算基础上分析叶片出水边切割对转轮性能的影响 a b sr a c t t h et i e w uh y d r o e l e c t r i cp o w e rs t a t i o nl o c a t e da tt o n g r e nc o u n t yo fh u a n g n a n t i b e t a na u t o n o m o u sp r e f e c t u r ew i t h i nq i n g h a ip r o v i n c e i t s2 撑u n i ti st h e h l 2 2 0 - w j 一71m i x e d f l o wt u r b i n e b e c a u s eh a so p e r a t e df o rm o r et h a n2 0y e a r s ，u n i t e q u i p m e n t se i t h e ri np e r f o r m a n c eo rs t r u c t u r ea l r e a d yg o n eo u to fd a t e ，c a u s e st h e a c c i d e n tt oi n c r e a s ea n dt h ef r e q u e n to v e r h a u l t h el o n g - t e r mo p e r a t i o nh a sc a u s e d t h eo v e r f l o wc o m p o n e n t st ob ew e a r e d ，e s p e c i a l l yt h er u n n e r 、g u i d ev a n e sa n ds oo n ， a sar e s u l to ft h ec a v i t a t i o ne r o s i o na n dt h ea b r a s i o n ，t h eb l a d es e c t i o na r ed e s t r u c t e d ， a n dp r o d u c e st h ev a r y i n gd e g r e ec r a c ki nt h eb l a d es u r f a c e b e c a u s et h eo r i g i n a l g e n e r a t o rh a sb e e nc h a n g e df r o m12 5 0 k w t o16 0 0 k w , f o rt h ef u l lu s eh y d r oe n e r g y a n dt h eg e n e r a t o rc a p a c i t y , t h ep o w e rs t a t i o nh o p e st om a k et h ec a p a c i t y - i n c r e a s i n g i m p r o v e m e n tt ot h e2 撑u n i tr u n n e rd u r i n gt h ed i v e r s i o nc h a n n e l sr e n o v a t i o n a n df i n d o u tt h er e a s o no fc r e a t i n gt h ec r a c ko nb l a d es u r f a c ，a c h i e v e st oi n c r e a s et h ec a p a c i t y a n di n c r e a s et h eu n i t sl i f ea tt h es a m et i m e t h i st o p i ct a k et h et i e w uh y d r o e l e c t r i cp o w e rs t a t i o n s2 撑u n i ta sap r o t o t y p e ， w h i c hi sh l 2 2 0 - w j - 71h y d r a u l i ct u r b i n e ，c a r r i e so ne a c ho v e r f l o wc o m p o n e n t s t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l l i n go ft h eh y d r a u l i ct u r b i n ee n t i r ef l o wc h a n n e l ，c h o o s e st h e s u i t e dt u r b u l e n tf l o wf i e l dm o d e la n da l g o r i t h mu s e do nh y d r a u l i ct u r b i n et h r o u g h c o m p a r i s o n ；b yt h ec u t of fr u n n e rt r a i l i n ge d g e sm e t h o d ，f i n do u tt h er u l e o ft h e e x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i ca sw e l la st h ei n t e r n a lc h a r a c t e r i s t i co ft h eu n i tw h e ns e v e r a l k i n do fc o m p u t a t i o no p e r a t i n gm o d e sa n dd i f f e r e n tc u t t i n gq u a n t i t yb a s e do nc f d ， a c c o r d i n gt ot h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l tt od e t e r m i n et h er u n n e rt r a i l i n ge d g e s 硕士学位论文 c u t t i n gq u a n t i t ya p p l i e dt ot h ep o w e rs t a t i o n ，m a k e st h et u r b i n eo u t p u tp o w e rb e i n c r e a s e dt o1 3 3 7 8k wb u tt h eu n i te f f i c i e n c yd i dn o td e c l i n em u c hm o r e ；a c c o r d i n g t ot h ef l o wf i e l d c o m p u t a t i o nr e s u l t s ，u s e sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st or e s e a r c ht h e r u n n e r ss t a t i cs t r e n g t ha n dt h er u n n e r sf i r s te i g h ts t e pm o d a lf r e q u e n c i e sb a s e do n f l u i d s o l i dc o u p l i n g ，f i n dt h a tt h et i e w uh y d r o e l e c t r i cp o w e rs t a t i o n2 群t u r b i n e r u n n e rf i r s t - s t e pf r e q u e n c yv e r yc l o s et ot h ef r e q u e n c yc a u s e db yg u i d ev a n e so u t l e t f l o wo f f , t h ec a r m e nv o r t e xf r e q u e n c ya n dt h er u n n e r sh i g h s t e pf r e q u e n c i e s r e l a t i v e l yc l o s e ，h a v eb i gh a z a r d o u sn a t u r e ，s ot h er e a s o no fc a u s i n gt h ec r a c ko n r u n n e rb l a d es u r f a c ei s ，t h es t a b i l i t ys t r e s sa n dv i b r a t i o na l t e r n a t i n gs t r e s sc a u s e s m i c r oc r a c k sa n dc r a c ke x t e n s i o n t h i sm e t h o dc a np r o v i d e sb e n e f i c i a lr e f e r e n c e sf o r t h el o wd e s i g np a r a m e t e r ss t a n d a r dt u r b i n e s c a p a c i t yi n c r e a s e sa n dl o n g e v i t y m o d i f i c a t i o ni nol d s t a t i o n s k e yw o r d s ：c a p a c i t y - i n c r e a s i n gi m p r o v e m e n t ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；f l u i d s t r u c t u r e c o u p l i n g i l i 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：名辛翔每 日期： 。蛑名月扩日 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，即：学 校有权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。本人授权兰州理工大学可以将本学位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、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：名辛翔拿 导师签名： 每良父 日期：。加年月p 日 日期：o o 年月8日 硕士学位论文 1 1 课题来源 第1 章绪论 青海省黄南州水电开发总公司 1 2 本课题的背景及意义 我国中小型水电站装机容量已超过3 0 0 0 万千瓦，占全国水电装机容量4 0 以 上，它们在当前经济建设和电力供应中起着重要作用。其中比较多的中小型水电站 建成于2 0 世纪6 0 一- 8 0 年代，受当时历史原因、技术水平和制造能力的限制，这些水 电站的水轮机目前存在主要问题有：水轮机的能量指标低，汽蚀性能差，运行范围 窄，设计参数与运行工况偏离，制造工艺水平低等n 2 。据国外资料介绍，由于种 种原因致使水轮机效率下降约2 口1 ，特别是有些电站由于当年是套用机组，或由 于电站参数变化使水轮机组长期在低效率区运行，浪费了有限的水力资源，同时 对机组的安全稳定运行产生了很大的影响。因此急需对这些电站的水轮机组进行 技术改造，而在对水轮机进行改造的同时，大多还有增容的要求。 铁吾水电站位于青海省黄南藏族自治州同仁县境内，其2 # 机组为 h l 2 2 0 一w j - 7 l 水轮机。由于已经运行了2 0 来年，机组设备在性能和结构方面都已 陈旧、事故增多、检修频繁。长期运行己使过流部件磨损，特别是转轮、导叶等部 件，由于空蚀和磨损，叶型遭到破坏，且在叶片表面产生不同程度的裂纹。原配 1 2 5 0 k w 发电机先期已增容达到了1 6 0 0 k w ，为充分利用水能资源和发电机容量，电 站希望在引水渠道扩容整修的同时，对2 # 机组转轮进行增容改造，在不改变通流 部件的前提下提高水轮机的水力性能，并增加机组出力。由水轮机的出力公式 = 9 8 1 h r q ，叩可知，在水头定、通道不变的前提下，提高机组过流能力是增加 在c f d 计算基础上分析叶片出水边切割对转轮性能的影响 水轮机出力的有效途径。 在建成电站中用切割叶片出水边的办法来提高水轮机过水能力，从而提高单 机出力常常是有效的，因切割出水边后就增大了转轮的过水截面面积，叶片开口 的增加还可以有效的缓解杂物对叶片流道的堵塞，是水轮机增容改造的常用手段 之一。该方式投资少、见效快，适合于设计制造较早、参数标准较低、有增容潜力 的水轮机。但应指出，整个叶片的最低压力区也在靠近出水边的地方。切割叶片 后一方面因叶片面积减少，增加单位面积叶片上的负荷，导致最低的压力值更加 低，另一方面把原来的压力最低点切掉后必然会改变叶片上的压力分布，有可能 使压力分布趋于不均匀，则又会进一步降低最低压力值。此外，流量增大，空蚀 特性变差，水轮机可靠性不能保证。因此，对于切割叶片出水边的办法必须持谨 慎态度，应经过充分理论计算和试验后才能在运行机组上采用n 1 。 本课题利用先进的流场模拟和计算技术对叶片切割效果加以评估，可减少叶 片切割的盲目性，具有良好的实际应用价值。 1 3 水轮机组增容改造的现状 对老电站水轮机设备进行技术改造，因其投资少，见效快，经济效益高，己 引起了世界各国的普遍关注，一些水力资源开发程度较高的国家，尤为重视。美 国专家认为，对己建成的水电站增容，其单位投资比新建水电站要低三分之二 嘲1 。国外近2 0 多年来出现了电站水力发电设备改造的高潮，前苏联、美国、加 拿大、挪威、瑞士等国在水轮机设备改造方面做了大量的工作，取得了明显的经 济效益。前苏联在第1 1 个五年计划期间改造了4 1 台机组，达2 3 3 9 6 m w 。并在1 9 8 2 - - 一 1 9 8 3 年期间对运行2 5 年以上的所有电厂作了一次综合调查，为编制前苏联欧洲地 区水轮发电机组更新改造增容可行性报告打下了基础，该更新改造计划涉及到总 装机容量为8 0 0 0 m w 的一系列电厂，该计划实施以后，预计可以增容6 0 0 m w 。美国 2 硕士学位论文 对已运行电厂作了调查，认为其中有5 4 6 0 0 m w 机组通过改造后可增容5 1o o m w ，近年 来已对这些电厂改造作了规划。加拿大多米宁公司1 9 7 9 年为魁北克水电局的1 3 个 电厂作了更换新转轮的研究，共更换了5 5 个转轮，总收益己达4 5 0 0 万美元。挪威 运行5 0 年以上的电厂占1 0 ，运行2 0 年以上的电厂占7 0 ，为此，该国对水轮机更 新改造己形成专门化，对一批电厂更新改造均获得满意效果，其中s o n g a 电厂更新 改造后水轮机在整个运行范围内效率提高3 以上。日本日立公司1 9 7 0 年设计制造 的塔贝拉电站1 # 一4 # 机在高水头大负荷、设计水头小负荷工况发生出力大振荡，最 大值达1 4 3 9 ( 出力为l7 5 m w 时出力振荡2 5 m w ) ，可见这个课题早就已经引起世界各 国的广泛重视和研究。 我国也比较重视水电站水轮发电机组的改造。改造较早的水电站有丹江口电 站和刘家峡电站，这两个电站重新设计和改造了转轮和过流部件，提高了机组容 量达1 0 。映秀湾水力发电总厂同哈尔滨电机厂合作，对渔子溪电站的水轮机进行 了成功改造，该转轮采用了新型的长短叶片结构，其中有1 5 个长叶片，1 3 个短叶 片，经过改造后，延长了水轮机检修间隔，由原来的两年变成了四年，水轮机增 容1 0 ，水轮机效率在原有基础上提高2 3 ，并提高了机组的稳定性。目前映秀 湾水力发电总厂与哈尔滨电机厂合作已开始进行耿达电站水轮机的改造工作，通 过优化设计，提高制造工艺，其改造效果将会优于渔子溪电站水轮机的改造。大 量的工程实践表明：水轮机在引水排水过流通道不变条件下，通过更换性能参数高 的新转轮，一般可提高水轮机效率3 5 ，经济效益十分显著。己完成的刘家峡、 新安江、盐锅峡、龙家峡、佛子岭、东方红等水电站增容改造程取得了非常明显 的经济效益7 3 引。 1 4 电站水轮机组增容改造的途径 目前，水轮机增容改造的途径主要有两种b 3 ：一是更换新转轮；二是对旧转 在c f d 计算基础上分析叶片出水边切割对转轮件能的影响 轮进行修型。 更换转轮增容即将旧转轮更换成效率高、过流能力强的新转轮来实现增容。 该类改造在我国许多大中型水电厂普遍应用。典型的有，刘家峡、丹江口、新安 江等电站对水轮机转轮进行的更新改造。丰满4 # 机组现代化改造中最重要的一项 就是更换高比转速的新型不锈钢转轮，仅更换转轮一项，投资大约在5 0 0 - 6 0 0 元 k w n0 1 。尽管这种增容方式是最彻底的，但工期长、人力投入和资金投入都很大。 转轮叶片切割增容即对原水轮机进行叶片割鼓包和切割出水边修型来达到增 容的目的。该方式投资少、见效快，适用于设计制造较早、参数标准较低、有增 容潜力的水轮机。我国上世纪六七十年代在许多电站普遍使用这种方法，均不同 程度的取得了增容效果。典型的有，1 9 8 4 年，桓仁电厂h l 7 4 1 一l j 一4 1 0 水轮机转 轮叶片切割出水边改造，机组实际增容1 0 左右；丰满电厂8 # 水轮机于1 9 7 0 年进行 了转轮叶片出水边割边改造，改造后机组增容1 0 左右，后又根据性能相同的8 # 水轮机转轮叶片出水边割边增容改造的经验，7 # 水轮机增容也采用了转轮叶片切 割出水边的方法，并通过贴体坐标下的有限体积法和k e 模型，对7 # 水轮机转轮 内部的三维粘性流动进行数值模拟，科学合理地确定了转轮叶片的切割量，转轮 叶片出水边等边切害l j 4 0 m m 后，通过测试和运行，增容效果良好，达到了预期的改 造目标。 1 5 本课题所研究的主要内容、解决的关键性问题及创新点 1 以铁吾电站2 # 机组h l 2 2 0 一w j 一7 1 水轮机为原型，进行水轮机全流道各个通 流部件的三维建模，并采用非结构化网格对几何模型划分网格。 2 由于湍流模型和流场计算的算法的选择，对混流式水轮机内部流场计算十 分重要，直接影响到收敛速度和解的精度以及计算的稳定性。因此需要通过计算 比较，选择适合混流式水轮机内部流动的湍流模型和流场计算算法。 4 硕士学位论文 曼量曼曼曼量曼皇曼曼鼍曼曼曼曼曼鼍曼曼曼鼍! b i =,i i i l 皇 3 研究机组在几种计算工况下不同切割量时改造前后外特性以及内特性的变 化规律，依此确定转轮叶片沿出水边的切割量并应用于电站的改造实践。 4 叶片出水边切割后，转轮的根据流场计算的结果，分析改造前后叶片静强 度能否满足要求；研究流固耦合状态下，转轮及叶片的前八阶模态的固有频率， 找出造成叶片表面裂纹的原因，为电站安全稳定运行提供指导。 在c f d 计算基础上分析叶片出水边切割对转轮性能的影响 第2 章切割叶片出水边增容改造的 可行性分析 2 1 理论分析 水轮机的出力公式为：n = 9 8 1 1 4 。q ，q 。r i 。 式中：n 一发电功率，h 。一工作水头，q ，一额定流量，r l 。一水轮机效率 r l 。一发电机效率 从上式可以看出，在建成的电站中，工作水头己定的前提下，要想实现水轮 机组出力的增加，取决于流量和水轮机效率的乘积( q r l h ) ，即流量增加后， 水轮机效率要保持一定程度，才能在增容改造方面取得明显的效果。 水轮机流量调节方程式为： q ：( 孑+ 监) ( 石c t g a o + i i 2c 辔卢2 ) ， z 7 r d h， 式中，q 为流量：c o 为旋转角速度：r 2 为叶片出水边半径：t 7 为水轮机效率：e 为转轮出口过水断面面积：日为水头：g 为重力加速度：为导叶开度：b o 为导叶高 度：卢：为叶片出e l 边安放角。上式明确地反映出叶片出口边几何参数对机组过流 能力的影响。当机组导叶开度最大即口0 为最大值时，水轮机过流能力取决于叶片 出水边半径吃、水轮机过流面面积e 、叶片出口边安放角皮这三个几何参数值， 这3 个参数中任何一个的增大都将使转轮过流能力提高。 图2 1 相邻叶片间的几何参数 6 硕士学位论文 皇i i i i_ il i i i i 。i o 皇曼曼曼曼曼曼罾量暑皇量 切割转轮叶片出水边实际出发点是通过增加转轮出口的过流面积，从而达到 增加转轮过流能力的目的。转轮叶片设计时，要求从出水边至迸水边，相对速度与 圆周方向的夹角卢的变化规律呈单调增加，这意味着对叶片出口边的切割将使出 水边处相对速度与圆周方向的夹角j b ：增大：转轮流道从进口到出口呈收缩状态， 切割出水边将使眨、e 也增大。因此，适当切割叶片出水边可使转轮出水边开口 值增加，从而使转轮的出水过流面积增加，进而达到增加转轮的过流能力的目的 然而转轮出水边切割量是个非常敏感的参数，稍有不妥，便会使水力效率过分 降低，导致流量加大而出力不增加甚至下降，因此，叶片出口边切割量需在理论分 析计算基础上结合实践经验才能确定。本文针对水电站水轮机增容改造工程的实 际需要，探索通过基于“数值试验”的水轮机过流部件改造设计新技术、新方法， 以通用的c f d ( f l u e n t ) 软件和c a d ( p r o e ) 软件等组成初步的数值试验平台，研究适 合水轮机改造的全流道三维粘性流场数值模拟和效率预测的计算方法，探索基于 数值试验代替模型试验的水轮机改造技术，加速水轮机改造技术开发，提高设计 的可靠性，并降低研究成本，缩短研究开发周期。 2 2 老电站增容改造的可能性分析m 瑚m 朝 我国大部分的中小型电站建于上世纪的5 0 - - 6 0 年代，而早期编制的水轮机模 型转轮型谱中可供选择的转轮型号很少，不少中小型水电站只能套用相近转轮， 因而机组性能参数偏离电站实际运行参数。对中小型水电站水轮机选型设计，由 于种种原因，使得一些水电站的水轮机转轮直径、额定水头或额定转速选择不当 造成机组性能参数与电站实际运行参数不匹配。有些水电站建成后，其实际的来 水量或水头等水文数据与设计资料不符，以致选用的水轮机性能参数与电站实际 运行参数不适应。以上几种情况都会导致水轮机偏出最优工况区运行，造成机组 7 在c f d 计算基础上分析叶片出水边切割对转轮性能的影响 运行效率低、耗水量多、振动及噪声大及发电损失大，使水轮机使用寿命大大缩 短。 很多相当于国外上世纪三十四年代的技术水平的水轮机至今仍在使用，其主 要性能指标如单位流量、单位转速及模型效率都比较低。有些小型水电站的水轮 机加工质量差、缺陷多，长期带病运行，使出力不足，安全可靠性差。多泥沙河 流上的水轮机磨蚀破坏严重，据不完全统计，我国小型水电站中有大多存在水轮 机空蚀和泥沙磨损问题。有些水轮机的大修间隔不到一年，甚至难以正常开停机。 有的水轮机转轮叶片发生严重断裂，不能保证安全运行。有些小型水电站的水轮 发电机因运行年代长，定子、转子的绝缘已严重老化，容易引发接地故障，威胁 机组安全运行。由于制造或安装质量较差，水轮发电机的推力轴承可靠性低，常 发生烧瓦事故。有些小型水电站发电机额定容量小于水轮机的输出功率，形成“大 马拉小车的现象，大大限制了机组出力；也有的水电站发电机容量大于水轮机 出力，既浪费了设备容量，也增大了运行损耗。 通过切割叶片出水边的方法，来实现老机组增容的技术，本课题组己在曲库 乎电站的改造中取得了成功。铁吾电站2 # 机为h l 2 2 0 一w j 一7 1 型混流式水轮机，其 在老型谱中为p 0 7 0 2 型，设计参数标准较低，存在增容改造的潜力，且其配套发电 机已于先期增容，达到1 6 0 0 k w ，更为机组增容改造提供了可能。 2 3 切割叶片出水边增容的工艺可行性 由于转轮是水轮机的核心部件，其结构参数直接决定了机组水力性能的优劣， 因此在通过转轮叶片切割实现水轮机的增容时，必须配合良好的工艺措施。因为 转轮叶片出水边是通过同一轴截面的，利用此特点，转轮叶片切割时以出水边作 为定位基准。为了对叶片出水边定位，并作为定位基准对叶片进行修型，可在进 行转轮叶片出水边改造前，先制作一块同轴截面的靠模板，如图2 2 所示。切割叶 8 硕士学位论文 片出水边改造时，可按照以下步骤进行： 锈缆援 图2 2 转轮叶片出水边等距离切割示意图 1 将叶片出水边修整至同一轴截面。以转轮轴心线为中心，安装一根中心轴， 在中心轴上放置一块平板( 靠模板) ，轴和靠模板可以围绕轴心线旋转( 由于受 空间尺寸的影响每一个叶片需重新放置靠模板) ；在参考转轮1 4 个叶片轴截面均 匀度的基础上，选定一个叶片作为基准叶片，将靠模板旋至这个叶片的出水边， 检查这个叶片的出水边是否在同一个轴平面内，如有误差不完全在一个平面内， 人工修磨至同一轴截面；以这个叶片为基准，将转轮下环的下平面均匀地分成1 4 等份。然后，旋转靠模板对其他1 3 个叶片出水边是否在同一个轴截面进行修型， 确保轴截面的统一性；根据原转轮出水边的位置和开口情况，确定对叶片出水边 型线的修整，尽量保证叶片出水边型线和相对于旋转中心的致性。 2 利用已校正的叶片出水边对原转轮叶片进行修型。在叶片出水边上，选择 若干个点( 为准确起见可尽量加多) ，以叶片出水边正、背面点各向叶片背水面 及迎水面作切圆( 方法如叶片开口测量) ，综合分析后，确定对叶片修型的标准 9 在c f d 计算基础上分析叶片出水边切割对转轮性能的影响 值；用已确定的标准值，对1 4 个叶片逐个进行修型，并使之在叶片的长宽方向上 光滑过渡，应该注意的是，修型的范围( 主要指叶片背面) 应考虑到叶片切割出 水边后开口测量的范围。 3 叶片出水边的切割、修型。以修型准确的叶片出水边为基准，按一定的切 割量从a 点( 转轮叶片出口边与上冠的交点) 沿转轮出水边切割至b 点( 转轮叶片 出口边与下环的交点) ；割后的叶片出水边较原转轮厚，应沿叶片正面进行修型； 修型后要对相应点的出口开度值进行检查，并与切割前原转轮出口开度进行比较。 如有必要时，适当进行叶片的修型，以保证开口度的均匀性。 综上所述，铁吾电站2 # 机组由于设计参数标准比较低，由于发电机已于先 期增容，存在增容改造的潜力；且从理论上来讲，切割叶片出水边增加了转轮过 流量，在其他通流部件不变的情况下，这种方法增容改造是可行的；另外，通过 切割叶片出水边实现增容改造的方法，本课题组己在其它电站取得了成功，因此， 技术和工艺方面也是完全可行的。基于这些，我们决定在c f d 计算的基础上，分 析转轮叶片出水边不同切割量对转轮性能的影响，并通过综合比较不同的方案， 最终应用于电站的增容改造。 1 0 硕七学位论文 皇皇曼舅曼皇皇曼曼鼍n 。n n mm mmm_m n n 一一一, n 寰 第3 章混流式水轮机全流道几何模型 建立与网格生成 3 1 概述 应用计算机对实物进行几何建模，是对混流式水轮机全流道数值模拟的前提。 显然，为了能够高效地进行水轮机数值模拟且得出精确的计算结果，几何模型的 优劣是至关重要的。因此，生成一个能够恰当地描述结构几何性质及其力学行为 特征的几何物理模型是建立优质模型的关键所在。 在对混流式水轮机全流道流动进行c f d 计算之前，首先要将计算区域离散 化，即对空间上连续的计算区域进行划分，把它划分成许多个子区域，并确定每 个区域的节点，从而生成网格。网格是c f d 模型的几何表达形式，也是模拟与分 析的载体，网格质量对c f d 计算精度和计算效率有重要影响【1 5 】，直接关系到c f d 计算的成败，所以对网格生成应给予足够的重视。 鉴于此，本章将重点讨论混流式水轮机全流道几何模型的建立和网格的划分 过程。 3 2 构建几何模型 本课题的研究对象为青海省铁吾电站使用的h l 2 2 0 一w j - 7 1 型水轮机，其计算 区域为从蜗壳进口到尾水管出口，包括蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮和尾水 管。研究表明，数值计算结果的合理性、可靠性以及准确性主要取决于对结构形 状、受力特性及边界条件等问题进行全面正确有效的处理，所以，在建立模型时， 理论上应尽量准确地反映实际物体的每个结构细节。 在整个计算区域中，蜗壳和转轮叶片是复杂的三维扭曲结构，能否恰当合理 耋：乏差罂占：銎：盐誊銮鎏2 型譬茎兰兰氅望誊皇 的还原其真实的结构，将直接影响到水轮机的水力性能，基于这点，在本课题中 采用通用的三维建模软件p r o e ，利用其强大的复杂曲面造型工具来进行全流道通 流部件的模型构建“”“”。具体的建模细节从略，其中在建模时忽略了蜗壳、坐环 和尾水管的壁面厚度而只考虑其过流面积，故而画成壳体，其他如固定导叶、活 动导叶、转轮等画成实体。以下为h l 2 2 0 一w j 一7 1 型水轮机部分通流部件及全流道 的三维模型图： 田3i 庸水轮机转轮模型田32 蛹壳、固定导叶、活动寻叶等部件攮型 k 4 沁 圈33 尾水管模型圈34h l 2 2 0 一w j 一7 1 水轮机全流道模型 本课题拟采用切割叶片出水边( 其它通流部件不变) 的方法以期达到水轮 机组增容改造的目的。目前有两种方式切割转轮叶片的出口边：一种是按等轴面 进行切割，另一种是从上冠到下环按某种给定规律进行切割m3 。文献 1 8 通过改 造实践发现叶片出水边等距离切割不仅能够提高机组的出力，而且空化性能要优 于另一种方法。因此，决定采用叶片出水边等距离切割的方式，对原h l 2 2 0 一w j 7 l 型水轮机进行改造。为探究转轮叶片出水边切割对机组性能的影响规律，切割量 选取为5 m m 、l o m m 、2 0 m m 、3 0 m m ，以期从中选择最优的方案付诸实践。 什” | l 田35 切翦前转轮叶片模型围36 切割出水边1 0 响后叶片模型 3 3 网格生成“ 网格分为非结构网格与结构网格两大类。结构网格是一种传统的网格形式 网格本身利用了几何体的规则形状，结构网格的优势是易于生成物面附近的边界 层网格，有许多成熟的计算方法和比较好的湍流计算模型；非结构网格的节点以 种不规则的方式布置在流场中，这种网格虽然生成过程比较复杂，但却有极大 的适应性尤其对复杂边界的流场计算特别有效。同时，在节点数相同的条件下 结构型网格因节点顺序排列在计算中比非结构型网格所占的内存少，且计算速 度快，在某些条件下，还可能运用一些加速算法。然而，结构型网格比非结构型 网格对几何形状的适应性差：对复杂的几何性状非结构型网格往往能以相对较 少的节点数获得疏密合理，过渡均匀的网格：而结构型网格型为了满足“结构型 耋：乏量竺占：錾：兰当当彗：詈：兰兰鐾暨鬈譬 原则”，往往必须在局部区域布置很密的、但对计算分辨率而言不必要的节点 从而使节点数增加，造成计算资源的浪费。 般，结构型网格的单元形状以四边形、六面体居多。非结构型网格的单元 根据几何形状的不同可以采用包括四边形、六面体和三角形、四面体单元、棱柱、 棱锥型单元任意的合适的单元形状。对混流式水轮机转轮而言，由于转轮内几何 形状复杂，而间隙较小或夹角较小都有可能造成网格划分不成功，考虑到上述原 因，在本文的计算中采用适用范围更广的非结构网格混合四面体网格。 本文使用i c e m c f d 划分网格，不存在网格尺寸差距大难过渡从而导致整体网 格质量差的问题。利用这一优点，可以通过给线较小的网格尺寸来实现对其附近 区域的加密，或者可以通过调小一个面的网格尺寸，来实现附近空间的网格加密 这种做法避免了生成多个b o d y ( 等同于g m b i t 中的v o l u m e ) ，降低了建模难度，同 时网格数量可以得到比较好的控制。但是i c e m c f d 也有其不足的地方，一是在i c e m 中划分好网格后，导入f l u e n t 后会产生很多碎面，需要对这些碎面逐个进行边界 条件设置，否则会导致计算结果很不准确。 由于计算区域内各个通流部件的结构复杂程度不尽相同，所以本文在进行网 格划分时采取单独划分网格的方法，如蜗壳和转轮的网格尺寸较小，其他部件的 网格尺寸大些。具体的网格划分见下图 围37 整十计算区域目格划分 霉 在c f d 计算基础卜分析叶片 h 水边切割对转轮性能的影响 第4 章混流式水轮机 改造前后内部流动的数值模拟 对于简单的湍流运动，我们有可能用解析方法对它们的统计特性进行近似的 预测，然而，水轮机内部的真实流动是非定常、三维、粘性、不可压缩湍流。对 于复杂湍流，解析方法几乎是无能为力的，特别是对于不规则的湍流流动，因此 实验测量和数值模拟成为研究复杂湍流的必要手段。 水轮机内部流动非常复杂的，转轮做旋转运动，而蜗壳、导水机构、尾水管 等过流部件是静止的，为此，我们要对不同的流动区域进行一定的处理。 蜗壳、导水机构、尾水管内的流动，选惯性坐标系，其控制方程为： 堕；o 咄 ouidui=一!p望oxj+y画2uiox + 正 a t j ia x t a xi f 盟；o i o x ， 争i o n i 一吉啬螗阻州洲酬 1 6 硕七学位论文 式中，w j 为相对速度，f i 、p 、p 和v 同上式，r 为半径，其中，一2 0 x w i 表示科 氏力，一( r ) 表示离心力。 4 1 混流式水轮机数值计算的湍流模型和算法选择 在本节中将对几种常用的湍流模型和控制方程算法做一简单的介绍和比对， 然后通过选用不同方案，在同一台计算机上对同一几何模型相同工况下的收敛特 性和计算精度做出比较，最后选用某一方案应用于混流式水轮机切割叶片增容改 造前后内部流动的数值模拟。 4 1 1 湍流模型介绍2 4 1 2 5 凇蚴1 c f d 研究者发现尽管直接数值模拟( d n s ) 及大涡模拟( l e s ) 是利用数值模拟技 术解决工程湍流流动问题的最有效最根本的方法，但是由于庞大的计算机容量和 大量的计算时间需求，因而到目前为止还不能解决任何实际工程问题。近期对复杂 湍流流动工程问题的数值模拟，最有效、最经济且合理的方法是基于周培源早在 上世纪4 0 年代建议的求解r e y n o l d s 时均方程组及关联量输运方程的方法，而后又 为l a u n d e r 等人加以实现的湍流模型。 以雷诺时均方程为基础的湍流模型大致分为两类：一是雷诺应力模型( r s m ) ， 这种模型的思想是对雷诺方程再取时均值，得到关于雷诺应力的偏微分方程，在 此过程中，又产生了更高一阶的脉动附加项，还需要再去封闭。这种模型有代数 雷诺应力模型( a r s m ) ，及雷诺应力模型( r s m ) 。第二类是涡粘度( 湍流粘度) 模型 ( e v m ) ，主要基于b o u s s i n e s q 假设，把雷诺应力表示成湍流粘性系数的函数。这种 模型可分为：零方程模型、一方程模型、两方程模型及修正的两方程模型。 目前，在诸多的湍流模化方法中，雷诺应力模型及k e 模型及其修正模型在 工程中使用最为广泛，具有蓬勃的生命力。下面对k 一模型、k e 修正模型进行 1 7 在c f d 计算基础上分析叶片出水边切割对转轮性能的影响 比较： k 一模型基于如下假设：( 1 ) 湍流应力直接正比于平均应变速率：( 2 ) 涡粘度用 两个参数表示，并可表示紊流的特征长度：( 3 ) 紊流应力与应变速度为线性关系， 并把涡粘度当作流动的标量特性。选用l a u n d e r 和s p a l d i n g 提出的k 一模型，经推 导得如下k 一方程： k 方程：鹏考2 毒舭+ 争鸶卜以虿o u il 虿o u i + p o u j 一p 竽 e 方程：鹏毒- 考+ 刍6 , 堕a x i1 + t c l g 肛瓦o u 、虿o u i + p o u j 一丁c 2 p e 2 三 其中，鸬；q 肚2 占，七吾瓦可，占：) ，( 罢与2 ：c d 竽，上述两方程中系数c 1 ；1 4 4 、o c 2 、c ，、瓯、6 。的取值很多文献看法比较一致，c 1 - 1 4 4 ，c 2 - - - 1 9 2 ，c 芦= o 0 9 ， 瓯= 1 0 ，6 。l1 3 。 k 一两方程模型的主要优点是：基本形式简单，实际可用性广，且得到了最广 泛的检验和成功的应用。但在弯曲壁面流动和强旋流动方面，很多算例与实测结 果对比表明，预测结果与实际物理现象有定性的不同。对于水轮机内的湍流属于 弯曲流线和弯曲壁面离心力很大的强旋流动，必然应具有弯曲表面和高速旋转的 流动特点。为使k e 两方程模型能更好地描述旋转叶轮的内部流动这类运动，克 服k 一湍流模型的失效，扩大其使用范围，很多学者进行了各种各样的修正和改 进。主要体现弯曲流线和旋转流动对于湍流结构的影响，考虑了流线弯曲的影响， 分别对e 源项或涡粘性进行了修正，但其缺点是经验性太强而且不具备普适性。 虽然k e 模型用于三维的湍流计算时没有更高级的模型好，但根据现有的计算条 件、所允许的时间及该模型在获得平均特性方面还有一定的优越性。目前的现状 是，在诸多的湍流模型中，标准k 一模型仍具有蓬勃的生命力，在计算流体力学 1 8 硕十学何论文 界采用k e 模型加壁面函数法在解决实际工程问题中仍然是主要方法之一。 r n g 七一占模型是由y a kh o t 和0 r s z a g 于1 9 8 6 年提出的，其中r n g 是英文 “r e n o r m a l i z a t i o ng r o u p 的缩写，一般译为重正化群。k ，方程在形式上同标 准k 一模型完全一样，但个同的是它的系数之值小是根据买验数据而是由理论分 析得出。 其k 和f 的输运方程分别为： p 瓦d k2 砉卜盯姜卜q 一胪 p 尝2 毒卜肛酊考卜c 。专g k - c , 2 p 譬一尺 r n g k 一模型与标准k 一模型在形式上是相似的，但是分别对有效粘性系数 够进行了模化和对s 方程进行了修正。经过对有效粘性系数万进行不同角度的 修正后发现，在高雷诺数时，得到下面的结果： q x 弘唏| h + 瓮，as 弘嚼2 弘告，p f2 西。等 在占方程中增加了r 项，r 项可表示为： 。c p p 叩3 ( 1 一呀刁o ) 占2f 2 ，f = - 二- - - - - - - - 一一 1 - i - p q k 式中，7 = s k e ，7 0 = 4 3 8 ，卢= 0 0 1 2 综合以上两项的改进，得到修正好的k ，的输运方程： p 尝2 毒【c + 争善卜瓯一胪 p 告。毒 c + 丝o r t ，考卜c 。 g t c 一譬 热一c 一掣 各湍流模型常数分别为： c = 0 0 8 4 5 ，c 。1 2 1 4 2 ，c 。2 5 1 6 8 ，盯t = 0 7 2 ，。= 0 7 5 。 当，7 c ：，其结果是使r n g k 一模 型所得的湍流涡团粘性比标准k 一模型所得的高；当pr o ( 高应变率区) 时， c + 。2 c ，r n gk s 模型比标准k s 模型所得的湍流涡团粘性低。由于r n gk 一 1 9 在c f d 计算基础 ：分析叶片出水边切割对转轮性能的影响 模型考虑了高应变率或大曲率过流面等因素的影响，从而提高了模型在旋流和大 曲率情况下的精度。 4 1 2 流场计算的算法 流场计算的基本过程是在