（流体机械及工程专业论文）灯泡贯流式水轮机水力设计及试验.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 随着我国水电事业的发展，国内制造厂在中、高水头段水轮机的水力开发上有很 大的进步，已经接近了国际上的先进水平。但是对于低水头水轮机，特别是贯流式水 轮机的水力开发，由于国内起步较晚，制造业绩少，与国外水平相比有较大的差距， 导致国内的大、中型贯流式水电站基本上都是靠引进国外的水力设计。同时我国低水 头水力资源十分丰富，贯流式水轮机有非常巨大的市场，因此，有必要加快贯流式水 轮机的研究开发，缩小与国外先进水平的差距。 本文先简单的介绍了贯流式水轮机的特点、市场前景、发展方向以及国内外的发 展水平，然后根据大言电站的特点，详细讨论了灯泡贯流式水轮机几何设计参数和水 力设计参数的选取方法和原则以及对转轮水力性能的影响。同时简单的介绍了c f d 技术的基本理论。 在灯泡贯流式水轮机流道和转轮的设计中，锥形导叶和转轮的角度匹配关系非 常重要，只有转轮的进水边设计能够很好的适应导叶的出流情况，才可以设计出性能 优良的转轮。对于低水头电站，尾水管的损失占整个机组损失的很大部分，因此，尾 水管的设计十分重要。 采用旋转机械流体c f d 分析软件t a s c f l o w 计算水轮机锥形导叶、转轮、尾水管 内水流的流动情况。通过对各部件内不同负荷运行工况点的流速场、压力场进行分析， 特别是导叶出流和转轮出流情况的分析，发现转轮进、出口边的形状特别重要，设计 时必须使转轮进口边形状要适应导叶的出流情况，同时出水边的形状要保证转轮出1 2 1 流速分布规律能提高尾水管的效率。通过计算分析，对转轮的基本水力性能做了预测。 最后简要介绍了设计的i m 5 3 转轮的初步模型试验过程及试验结果。通过对试验 结果与c f d 性能预测值进行比较，发现在结合丰富设计经验的基础上，采用c f d 分 j ：祈完全可以设计出满足电站要求的贯流式发电机组。 关键词：灯泡贯流式水轮机，速度场，压力场，水力性能，水力设计，模型试验 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h et e e l a n o l o g yo fw a t e re l e c t r i cp o w e l ，t h ef a c t o r i e so f c h i n ah a v ea c h i e v e dg r e a ts u c c e s si nh y d r a u l i cd e s i g no fw a t e rt u r b i n ea tm i d d l ea n dh i - g h h e a dw a t e l p o w e rp l a n t s i ta l m o s tg e tr e a c ht ot h ei n t e r n a t i o n a la d v a n c e dl e v e l t h e h y d r a u l i cd e s i g no fl o wh e a dw a t e rt u r b i n e , e s p e e i a n yt u b u l a rt u r b i n e , i th a sab i gg a pd u e t ol a t ei n i t i a ls t a r t i n ga n df e wa c h i e v e m e n t t h eh u g ea n dm i d d l et u b u l a j t u r b i n ej e t sa 砖 u s e df o r e i g nh y d r a u l i cd e s i g n t h el o wh e a dw a t e rr c s o l l l c eo fc h i n ai sv e r ya b l m d a n ta n d t u b u l a rt u r b i n eh a sh u g em a r k e t , s ow em u s tp a ym o l ea t t e n t i o n so i lt h es t u d yo ft u b u l a r t u r b i n ei no r d e rt od i m i n u t i o nt h eg a po f i n t e r n a t i o n a la d v a n c e dl e v e l f i r s t l y ，t h i sp a p e r i sb r i e f l yd i s c u s s e dt h ef e a t u r e s ，m a r k e to u t l o o k ，t e n d e n c ya n dl c v ；t o ft u b u l a rt u r b i n ei nh o m ea n da b r o a d i ti sd e t a i l e dd i s e m s e dt h es e l e c t e dm e t h o d sa n d r u l e so ft h eg e o m e t r i cp a r a m e t e r sa n dh y d r a u l i cp a r a m e t e r so ft u b u l a rt u r b i n eb a s e do i l d a y a np r o j e c t ，a tt h es a m e ：t i m e ，i ti sa l s od i s c u s s e dt h ei n f l u e n c e so f t h e s ep a r a m e t e r so n t h eh y d r a u l i cp e r f o r m a n c e so fr u n n e r i ti sa l s oi n t r o d u c e dt h ef u n d a m e n t a lt h e o r yo fc f d t e c h n o l o g y i ti sv e r yi m p o r t a n tt h a tt h em a t c h b e t w e e nc o n e - s h a p e dg u i d ev a n ea n dr u n n e l rb l a d e w h e nw ed e s i g nt h ef l u i dp a s s a g ea n dl l l n n e l w ec 舭d e s i g nan l n n e l w i t l lg o o d p e r f o r m a n c eo n l yo nc o n d i t i o nt h a tt h ei n l e to f t h e l t l l m c rb l a d ec a na a j u s tt ot h eo u t f l o wo f t h eg u i d ev a n e i ti sv e r yi m p o r t a n tt od e s i g nd r a f tt u b eb e c a u s ei t sl o s si sv e r yg r e a ti n l o w e rh e a dp o w e r p l a n t i ti su s e dc f ds o t t w a r eo fr o t a t i o n a lm a c h i n e r yt oc o m p u t ea n da n a l y z et h ef l o wo f w a t e ri nt h ec 0 1 1 e s h a p e dg u i d ev a n e 、l u n n e l a n dd r a f tt u b e t h r o u g ha n a l y z i n gt h ef l o w f i e l da n dt h ep r e s s t i r ef i e l di ne v e r yp a r to f t h ep a s s a g ee s p e c i a l l yt h eo u t f l o wo f t h eg u i d e v a n ea n dl u l m e l ra td i f f e r e n tl o a d w ef m dt h a tt h es h a leo f i n l e ta n do u t l e to f t h el u l m c ri s v e r yi m p o r t i m i d , w h e n 能d e s i g nt h en 蛐盯w em u s t 确l l s tt h es h a p eo f i n l e ta n do u t l e tt o m e e tt h en e e do f t h eo u t f l o wo f t h eg u i , t ev a n ea n di n c r e a s et h ee f f i c i e n c yo f t h ed r a f tt u b e w ea l s op r e d i c tt h eh y d r a u l i cp e r f o r m a n c e so f t h er t l l m e l t h r o u g ha n a l y z i n gt h ef l o w f i n a l l y ，w ec h i e f l yi n t r o d u c et h ep r e l i m i n a r ym o d e lt e s t i n gp r o c e d u r e a n dt h er e s u l to f i i 华中科技大学硕士学位论文 t h em o d e lt e s t t h r o u g hc o m p a r i n gt h et e s tr e s u l t sw i t ht h ec f dp r e d i c tv a l u e s ，w et r u s t t h a tw eh a v et h ea b i l i t yt od e s i g ng o o dt u b u l a rt i l l r b i l l et om e e tt h en e e do f p o w e r 啦i t i o nb y u s i n gc f dt e c h n o l o g yb a s e d o ng o o de x p e r i e n c e s k e y w o r d s ：b u l bt u r b i n e ，f l o wf i e l d , p r e s s u r ef i e l d , h y d r a u l i cp e r f o r m a n c e ， h y d r a u l i cd e s i g n ，m o d e lt e s t i l l y1 0 1 7 4 g 7 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研 究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识 到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：壁种金 日期：诈年f f 月3i t 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。本人授权华中科技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。 。，一 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 。 不保密团。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位“t 作者签名：苍劲金 指导教师签名： 日期：伊年1 1 月侈日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 贯流式水轮机特点 1 绪论 贯流式水轮机1 1 1 是一种开发利用低水头水力资源的良好机型。它具有比转速高、 过流能力大和水力效率高等优良的水力性能，这使得机组的尺寸非常紧凑，降低了水 轮发电机组的重量和价格，并因而缩小和简化了厂房建筑，同时，电站的土建开挖量 相比于轴流式机组，也减少了许多，电站投资大约可节约三分之一左右。它与传统 的立式轴流式机组相比，具有更大的过流能力和大的比转速，在相同的出力情况下， 价格性能比更合理、更具有经济性。 贯流式机组适合于平原河流的低水头开发，一般采用河床式水电站布置，也可以 采用引水式布置，电站位置一般处于地形比价平坦，离城市较近，且水量比较丰富的 地方，如果采用梯级开发，则避免了淹没大量土地和大规模的移民，减少电站投资， 同时可改善航道和便于引水灌溉，有利于改善地方的经济。 贯流式水电站机组之间结构紧凑，投资小，建设周期较短，一般大中型水电站三 年左右即可建成，投资回收较快。 1 2 贯流式水轮机的市场前景 我国的低水头水力资源十分丰富，水头在1 0 米左右的大中型贯流式电站总容量 就有2 0 0 0 多万k w ，同时，我国海域宽广，岛屿众多，有很长的海岸线，具有丰富的 潮汐能源，据不完全统计，我国潮汐能总装机容量可达到2 0 0 0 多万k w 。因此，在我 国贯流式水轮机有非常巨大的市场。截止1 9 9 6 年，我国对低水头水能资源开发较少， ! 只建成了不到2 0 座贯流式水电站。近几年来，随着经济的发展，电力需求越来越大 缺电现象十分严重，国内对贯流式机组的需求也日益增多，而且，国外水电市场对低 水头机组的需求量也增加很快。随着水电开发速度的加快，当前在建和规划的贯流式 水电站越来越多，容量越来越大，其市场前景广阔。 华中科技大学硕士学位论文 1 3 贯流式水轮机的发展方向 经过几十年的发展，贯流式机组的单机容量已经由最初的几百千瓦发展到现在的几 万千瓦，最大转轮直径达到8 米多，国外有的厂家正在研制单机容量1 0 0 i s o m w , 转 轮直径达l o 米的巨型灯泡式水电机组。表1 1 是国内外一些电站的灯泡贯流式机组参数。 表1 1 国内外大型灯泡贯流式机组参数【1 】 序号电站名称国别单机容量水头转轮直径流量转速 ( m w ) h m a xm ( m )( m 3 s )( r r a i n ) 1博凯尔法国3 5 01 5 31 0 76 34 0 0 0 9 3 8 2阿尔顿沃尔顿奥地利4 0 01 8 11 4 06 03 3 4 01 0 3 4 3杰瑞夫斯顿奥地利4 6 51 5 01 2 56 54 3 0 0 4萨拉托夫前苏联4 5 01 5 71 0 67 5 5 2 8 07 5 0 5石岛美国5 4 01 5 51 2 17 44 8 1 08 5 7 6只见日本6 5 82 4 32 0 76 73 5 3 01 0 0 0 7百龙滩中国3 3 01 8 09 76 43 7 7 5 9 3 8 8贵港中国3 0 91 4 08 56 94 0 5 07 8 9 9红岩子中国3 0 81 1 49 56 3 5 5 08 3 3 1 0桐子壕中国3 7 11 4 sl o 06 34 0 5 08 3 3 1 1沙坡头中国2 9 91 1 08 76 9 3 7 3 77 5 0 1 2金银台中国 4 1 0 1 5 91 3 0 6 3 3 4 1 41 0 0 0 1 3新政中国3 7 11 4 81 1 26 33 6 2 9 9 3 8 1 4红花中国3 8 01 6 71 3 25 9 1 0 7 0 1 5紫兰坝中国3 5 01 9 91 5 4 5 42 4 6 81 3 6 4 1 6长州 中国4 2 91 6 09 57 57 5 0 1 7桥巩中国5 8 52 4 31 3 87 44 6 7 08 3 3 总的来说，贯流式机纽发展趋势是高比转速，大流量，高效率，并使水轮机有良 好的空化性能及机组运行具有更好的可靠性和稳定性。 华中科技大学硕士学位论文 1 4 国内外贯流式水轮机水力设计水平简介 1 4 1 国外发展状况 六十年代以来，国外灯泡贯流式发电机组的研究日趋完善，贯流式机组得到了迅 速发展，世界各国生产的大型灯泡贯流式机组越来越多，目前已经多达几千台，单机 容量也越来越大，由最初的几百千瓦到现在的几万千瓦，以后将发展到十多万千瓦，使 用水头也不断增高，由几米发展到2 0 多米。近几年来，随着水轮机现代水力设计技 术的发展和先进的c f d 流动分析软件的应用，其设计水平和设计手段都有了质的飞 跃，水力设计水平提高很快，水轮机的能量性能、空化性能和稳定性都有很大的提高， 水轮机模型效率已经超过9 4 。国外先进厂家由于具有大量的技术储备，丰富的经验 和先进的技术，使其占据了广阔的市场。 1 4 2 国内发展状况 国内方面，从1 9 6 2 年，我国已开始研制贯流式机组，至今已生产了多种型式的贯 流式机组，并应用于多个电站，但这些转轮的技术水平与国外差距很大，很难形成竞 争能力，现在我国大容量的贯流式机组基本都是采用国外的水力设计。为了缩小与国 外先进水平的差距，我国采用的方法是：结合依托工程，采用技贸结合，技术转让等 方式，合作设计、联合制造，对水轮发电机组的核心部件一转轮，进行科研设计、性 能试验等，以期获得各项性能指标优异的模型转轮，尽快实现贯流式机组国产化，形 成独立自主的开发能力，使机组综合性能达到国际先进水平，满足国家电站建设需要。 近几年来，国内的制造厂和科研单位都加快了贯流式水轮机研究，水轮机水力设 计水平增长很快，并取得了一些科研成果。在灯泡贯流式水轮机上，国内的水力设计 水平已经大大缩小了与国外发达国家水平的差距，但在设计经验和工作业绩上还存在 一定的差距。市场占有率非常低。 1 5 本文的主要工作 本文根据大言电站的特点，详细讨论了灯泡贯流式水轮机几何设计参数和水力设 华中科技大学硕士学位论文 计参数的选取方法和原则以及对转轮性能的影响，然后详细的介绍了d 4 5 3 转轮及其 通流部件的设计和c f d 分析并对其水力性能进行了预测，最后简单的介绍了i m 5 3 转 轮的试验情况并把试验结果与预测结果进行了比较。 4 华中科技大学硕士学位论文 2 水轮机几何参数和水力参数的选择 下面以大言水电站水轮机的参数特点介绍灯泡贯流式水轮机几何参数和水力参 数的选择情况，我的设计是在考虑大言水电站的参数特点的情况下，适当加大叶片的 厚度，提高应用水头，进行有针对性的设计，目的是积累贯流式水轮机的水力设计经 验，并希望能够提高新设计转轮的水力性能，最终设计了d 4 5 3 转轮，并在东电的贯 流式试验台上进行了试验，结果表明d 4 5 3 转轮的水力性能与大言电站转轮d 2 7 8 a 性 能相当，基本上达到了设计的目的，下面先简单介绍大言水电站工程。 2 1 大言水电站水轮机设计简介 大言水电站工程位于福建省将乐县城上游5 5 公里的黄潭镇大言村，为低水头河 床式水电站，装机容量3 2 m w ，安装两台单机容量为1 6 m w 的灯泡贯流式水轮发电 机组。 大言水电站主要参数如下： 水轮机型号 水轮机标称直径 主轴布置形式 旋转方向 额定水头下的比转速 同步转速 额定容量 额定点流量 最大水头 加权平均水头 额定水头 最小水头 g z d 2 7 8 a w p - 4 7 0 d 1 = 4 7 m 水平布置 从发电机端向下游看为顺时针 8 9 3 m k w 1 1 5 4r m i n 1 6 6 7 m w 1 9 1 5 1 2m 3 s 1 2 2m 1 0 6 5 m 9 5 m 4 5m 华中科技大学硕士学位论文 2 2 几何参数的选择 水轮机几何参数的选择是非常重要的，它决定了机组尺寸的大小，影响到水轮机 水力性能的好坏。在选择相应的参数时，要从结构，水力性能和电站投资等方面综合 考虑。图2 。1 灯泡贯流式水轮机流道示意图。 图2 1 灯泡贯流式水轮机流道示意图 2 2 1 叶片数z 的选择 模型试验和c f d 分析表明，在相同的水力设计参数下，增加转轮叶片数，转 轮的空化性能得到改善，但转轮的水力摩擦损失增加，效率降低；反之，减少转轮叶 片数，转轮的空化性能下降，但转轮的水力摩擦损失减小，效率增加。同时，采用适 当的转轮叶片数，有利于均匀转轮内部流动，减小转轮内二次流，从而改善水轮机的 尾水管压力脉动，提高水力稳定性。根据设计经验【1 1 2 1 ，对灯泡贯流式水轮发电机组， 当水头h 2 0 m 时，一般采用5 叶片转轮，而当水头h o 5 m ) ，就要求大大降低水轮机的安装高程，增加土建 开挖量，从而增加电站投资。要改变这种情况，就要求尾水管在水平方向扩散，即尾 水管形状由圆形断面过渡到方形断面。 由于尾水管中水流动能大，要充分回收动能，就必须减小水流流速，增加出口断 面面积，一般认为，尾水管出口流速应该控制在2 5 m s 以下，随着电站最大水头的增 加，以及电站地形的限制和土建的需要，有的尾水管出口流速有增加的趋势，在额定 工况点，大言电站尾水管出口流速就达到了2 6 5 m s ，有点偏大。 8 华中科技大学硕士学位论文 为了设计出性能优良的尾水管，就必须对尾水管的损失有一个清醒的认识。尾水 管的损失一般可以分为沿程摩擦损失和扩散损失以及出口动能损失。以直锥型尾水管 为例，其尾水管的恢复系数1 2 1 n ，= ( ( a 2 + v 2 2 a s * v ) ( 2 9 ) - h 2 5 ) ) ，( a 2 * v 2 2 2 9 ) 其中，v 2 尾水管进口流速 v 广尾水管出口流速 a 厂尾水管进口动能不均匀系数 a 广尾水管出口动能不均匀系数 b 广- 尾水管进口到出口的总水力损失 r 重力加速度 从上面的公式可以看出，要提高尾水管的恢复系数，可以从两个方面考虑。 ( 1 ) 增加尾水管出口面积，减小其出口流速，从而减小动能损失。 ( 2 ) 优化转轮和尾水管中水流的流动，使尾水管进、出口处水流流速分布均匀， 减小水力损失。 在水力设计时，由于已经限定了尾水管尺寸，因此只有通过优化其水力设计来提 高其恢复系数。 在尾水管的设计中，锥管的锥角和长度，以及直锥管后面的过渡段的锥角和长度 是非常重要的参数。根据统计，一般情况下，0 = 1 2 1 8 。，尾水管长度从转轮叶片轴 心线到尾水管出口l = ( 4 5 5 5 ) d 1 。大言电站0 = 1 3 9 9 ，l = 5 2 d 1 。 2 3 水力设计参数的选择 2 3 1 比转速n s 的选择 比转速珥是表征水轮机能量性能优劣的综合性能指标。提高水轮机的比转速s 可带来十分巨大的经济效益。比转速提高后川，转轮直径减小，可以降低机组的厂房 尺寸及机组造价，因此，随着水轮机技术水平的提高，各水头段的水轮机比转速瑰稳 步攀升。但是，比转速1 1 s 的提高受到水轮机强度，空化运行稳定性等方面因素的制约。 9 华中科技大学硕士学位论文 如果单纯追求过高的比转速n 。值，可能会导致水轮机的空蚀泥沙磨损和压力脉动等 性能恶化，最优效率降低，高效率运行工况区变窄，反而达不到提高综合性能的目的。 另外，各电站的水工条件、水质、运行条件也各异，因此，必须根据具体电站的实际 情况，参考水轮机的各项性能指标来选择比转速蚰值。根据统计资料1 7 1 和参考国内的 发展水平，一般在额定工况点 n 。；( 2 5 0 0 3 0 0 0 ) 4 h r (mkw) 又有资料推荐 n 。= - 2 7 0 0 勋(mkw) 大言电站h r = 9 5 m , 由电2 式得出 l h r = ( 8 1 1 9 7 3 ) ( m k w ) 2 3 2 单位转速n l l 和单位流量q l i 的选择 由比转速与单位参数的关系式n s r = 3 1 3n i l ，q 。玎可以看出，由不同的单位转速 n l l r 和单位流量q l l f 以及效率t 1 的组合可以得到同样的值，改变n i l ，、q n ，、q 中的 任何一者，都能起到改变i l s r 的目的。因为效率q 的提高是非常有限的，因此i l 盯的改 变主要通过改变n l l f 或q l l r 来实现。提高水轮机的单位转速n 1 1 r ，可提高发电机同步 转速n ，减轻发电机重量，降低机组造价。但n l l r 的升高一般会引起转轮出口相对流 速w 2 上升，这会对水轮机的空化、磨损和运行稳定性带来不利影响。而且单位转速 n l l r 的上升还会引起单位飞逸转速n l l f 以大致相同的比率上升以及使转动部件的离心 应力升高，从而n l l r 的提高受到水轮发电机强度的制约。提高水轮机的单位流量q i ! ， 既可减小水轮机本身的尺寸，降低机组造价，又可减小厂房尺寸，缩减土建投资。但 是，q 1 1 ，的提高也受到水轮机的强度条件和其他一些因素的约束，同时，q l l ，的提高 一般会增大水轮机过流部件的流速和水轮机转轮的空化系数，对贯流式电站，由于流 量大，转轮叶片上相对流速较大，容易发生空蚀，因此，q l l ，的提高主要受到空化系 数限制。n 1 1 r q 1 l f 的增大有可能因为空化系数的加大而增加电站厂房开挖的工程量， 从以上全方位的分析我们认为，不能片面的追求较高的比转速i l s ，。根据贯流式水轮机 o 华中科技大学硕士学位论文 的性能特点，一般选取l q q l l i = ( 1 5 1 8 ) q lj o , n l l r = ( 1 1 1 1 8 ) n l l o 。 根据前面的分析和我们的经验，权衡各方面矛盾，结合目前技术发展趋势，对于 大言电站水轮机的单位转速和单位流量，我们推荐：大言电站水轮机最优工况( 以d l 为基准) ，n l l o = 1 5 6 1 6 0r m i n ，q n o = 1 9 0 2 o o m 3 s ，限制工况n l l r - 1 7 4 1 7 制m i n ， 对应的q i i r = 2 8 2 9m 3 s 。 2 3 3 效率t 1 、空化系数。值的预估 相对于立式机组，由于灯泡贯流式水轮机的水力通道基本不转湾，具有较高的 效率。近年来，随着水轮机科研工作的不断深入开展，水轮机的效率水平提高很快， 从国内、外一些著名大公司的最新研究成果资料来看，贯流式水轮机r l o 佴m 已突破9 4 的水平。我国以前的设计水平较差，但是水平提高很快，已经有多个转轮的效率超过 9 3 ，接近9 4 。针对大言水电站，水轮机的最优效率达到9 3 5 ，额定效率达到9 1 5 是不存在任何问题的。 水轮机空化性能的好坏，也是衡量水轮机综合性能的一个重要指标。电站装置空 化系数m 的大小，直接影响电站开挖深度和水轮机运行寿命。o v 的大小，主要是由模 型空化系数o m 决定。水轮机研究工作的重点之一，就是在提高水轮机能量指标的同 时，降低水轮机的空化系数，改善空化性能。但是，水轮机的能量性能与空化性能常 常相悖。一般地，o m 与i l s 相关，随着l l l 的提高，a m 也呈上升趋势。也就是说，如果 追求过高的能量指标，免不了牺牲空化性能，这也是我们在前述选择能量指标时，不 赞成片面追求过高的能量指标的原因之一。 对于贯流式水轮机，空化系数的大小是一个非常重要的参数，它影响机组的安装 高程，如果空化系数大，则要求减小机组的安装高程，增加电站土石的开挖量，增加 电站的投资。公式2 - 4 是电站装置空化系数的计算公式。 oy ：h a - h v - h s ( 2 - 4 ) u 、，。一 爿 式中，硪p 大气压力，单位( m ) h 1 p 水的汽化压力，单位 h f 一水轮机的吸出高度，为负值，单位( m ) h 水轮机的工作水头，单位( m ) 华中科技大学硕士学位论文 灯泡贯流式水轮机是水平布置，如图2 1 所示，其叶片在不同的位置有不同的h s ， 由公式( 2 _ 4 ) 中可得出不同的装置空化系数，有的电站规定计算。的参考位置在叶片 顶部，有的电站规定其位置在距叶片顶部0 2 5 d l 的位置，有的电站规定其位置在叶片 轮毅处，有的电站规定其位置以转轮中心线为基准，我们规定其参考位置以转轮中心 线为基准。对于大、中型机组，由于转轮直径大，上、下叶片之问的压力差别很大， 转轮在旋转的过程中，其空化系数是发生周期性变化的。为了保证转轮在运行过程中 不发生空化，一般规定电站装置空化系数吼概 1 2 。 厩邢 图2 - 1 电站空化系数计算参考位置示意 如果大言电站水轮机选择前述的n s r 、n l l r 、q 1 1 ，值，我们认为，其水轮机的空化性 能可达到如下水平：在额定工况，o m 1 6 。 2 3 4 尾水管压力脉动 水轮机尾水管压力脉动值的大小，直接影响机组的安全稳定运行。对于灯泡贯流 式水轮机，由于在协联工况下压力脉动值比较小，在很大的运行范围内，一般不会超 过5 ，在非常高的单位转速时，即水头远远偏离设计水头的情况下，一般不会超过 8 ，同时，由于水头低，因此其压力脉动绝对值也小，一般不会影响机组的稳定运行。 2 4 本章小结 本章主要以大言水电站水轮机的参数特点介绍水轮机几何参数和水力参数的选 1 2 华中科技大学硕士学位论文 择情况以及对水轮机水力性能的影响。 1 ) 转轮叶片几何参数包括叶片数、轮毅比、灯泡比以及通流部件几何尺寸包括导 叶、尾水管尺寸的选择情况。 2 ) 转轮水力设计参数包括比转速、单位流量、单位转速的选择以及效率、压力脉 动和空化系数的预估。 华中科技大学硕士学位论文 3 1c f d 技术发展简介 3c f d 技术的基本理论 水轮机的c f d ( c o m p u t e r f l u i d d y m m i c ) 开发经历了从一维、二维、准三维、三 维势流、三维e u l e r 解到目前的三维粘性流解的发展历程。具有可视化、微观、局 部化，数值化的特点，其技术已经在各个工业领域得到广泛的应用，并在各个领域内 取得重大的进步。近年来，随着计算流体力学数值求解技术和计算机软、硬件技术的 高速发展，粘性流动计算技术已趋于成熟，使得求解复杂的三维粘性流动成为现实， 这种最新c f d 技术在水轮机水力设计中的应用能够精确地分析和了解水轮机通流部 件和转轮的内部水流运动，从而对水轮机的各部件几何尺寸进行优化，以全面提高水 轮机的各项性能。c f d 分析和性能预测技术在水轮机水力设计中的采用大大提高了水 轮机水力设计的可靠性，缩短了水轮机开发周期，提高了水轮机水力设计的质量。 3 2 水力机械稳定流场计算 c f d 技术已经成功的运用于水力机械过流部件的稳定流场计算，它在性能预估和 设计优化方面，经多年的发展其技术已较为成熟。一方面通过计算分析不同水轮机工 况的流量、效率和功率特性，预测其运行特性。另一方面通过对不同设计方案的几何 参数的比较，可以得出一些指导性的设计经验，进一步优化设计，提高效率。对于灯 泡贯流式水轮机过流部件，可以分析灯泡体、支座和导叶在不同开度下的水流运动， 分析其流速场和压力场。为进一步优化设计提供参考。对于尾水管，由于转轮旋转对 尾水管进口水流周期性的影响，使水流具有明显的非稳定流特征，但可以用稳定流计 算来代替菲稳定流计算，方法是利用转轮在不同工况的出口速度分布作为尾水管进口 边界条件进行流体计算，并通过计算结果分析它内部的流动状态，计算水力损失，改 进设计，达到优化的目的。结果表明这种方法也是切实可行的。对于转轮，通过给定 不同的进口边界条件来计算不同叶片安放角下转轮中水流的流动情况，分析其流速场 华中科技大学硕士学位论文 和压力场，计算水力损失，找出提高其水力性能的方法和措施。 对不可压流体的流动计算，通过求解雷诺平均的n a v i c r - s t o k e s 方程，并采用标准 x e 紊流模型使方程组封闭。稳定流场计算数学方法理论基本介绍如下。 3 2 1 n - s 基本方程 n - s 基本方程【”l 【2 1 1 1 4 4 1 在惯性坐标下，可写为： 鲁+ 壬( 川- o ( 3 - ” 昙( 川+ 毒( 俐户一詈+ 鲁+ 昭，+ f ( s - 2 ) 其中： 纠尝+ 铷一；尝磊 在水轮机整个流道内，液体介质为水，认为其是不可压流体，因此，可将上述方 程简化为以下按参照系不同的两类方程： 在静止坐标下，方程为： 善(机)=0(3-4) 扣去 一古考+ v 等+ z p s ， 在旋转相对坐标系中，考虑到v = u + w 将v 代入上式，则方程为： 昙( ) = 0 ( 3 - 6 ) 扣+ 一毒c 咿弓善w 杀+ z 乃 其中，f i 为哥氏力： f i = 2 0 d ；+ 鬲； 事实上，上述方程为瞬态方程，含有时间的偏导项。 的时间偏导项应为零。 ( 3 8 ) 而在稳定流计算中，方程中 华中科技大学硕士学位论文 3 2 2 不可压卜- s 方程的解法 n - s 方程的解法很多【驯( 2 1 l l ，压力校正法是在水力机械流场计算中应用最为广 泛的一种。其最有代表性的一种方法即所谓的s i m p l e ( s c m m m p l i c i tm e t h o df o r p r e s s u r e 1 i n k e de q u a t i o n ) 方法系列。s i m p l e 方法的基本思路如下【4 5 1 ： 首先，对动量方程进行离散化，对不同的离散方法，格式稍有不同，一般采用有 限体积法得到： a p u = a n a m + p i a ( 3 9 ) ，曲 该方法假设一压力场p ，由该压力场通过动量方程求得中间速度场u ，显然，该速度 场一般不可能刚好满足连续性方程，因此假设正确的压力场p 和速度场u 可由下式修 正得到： p ：p ( 3 一l o ) u = u + u ( 3 - 11 ) 将此二式代入动量方程中，并离散化，减去1 1 所满足的动量方程，得速度正方程： a p u = 甜二+ 力i a ( 3 1 2 ) ，m 显然，由于u 与邻点的压力校正p 有关，因此，u 与计算域内所有点的p 有关。 在计算中，这种全场的耦合是不易做到的，因此在上式中略去第一项，并代入式( 3 - 1 1 ) 中，得简化的速度校正方程： u n = 1 1 + p ；i d ， ( 3 1 3 ) 在计算中，考虑到计算的稳定性，对式( 2 - 1 3 ) 应采用适当的松弛系数；即： u n - - - - - u 。坻p ；i d ， ( 3 一1 4 ) 其中。 d 严生( 3 1 5 ) 4 ， 在收敛的条件下，以上速度应满足连续性方程。将速度校正方程代入离散的连续 方程中，得压力校正方程： 6 华中科技大学硕士学位论文 哪= “二+ 6 ( 3 1 6 ) 这样，s i m p l e 方法便可以编程求解。这类方法的特点是迭代过程中对各变量可采用 同样的格式，且每个变量独立求解，减少了计算内存，并便于编程。 由于s i m p l e 方法中计算过程中，略去了4 。”二项的影响，把速度修正完全归 结于压差项所致，这样，在某些压力和速度耦合关系强的流动中，计算的收敛速度将 很慢，有时甚至得不到收敛解。对此，s i m p l e c 方法( c o n s i s t e n ts i m p l em e t h o d ) 在其基础上作了如下修正：将式中的系数d f 改为： d ：乓r ( 3 - 1 7 ) 2 森 即所谓相容的s i m l e 方法。其基本思想是将式( 2 - 1 5 ) 改写为： ( 一“：) = a n 。( “二一“：) + p ；i a ( 3 - 1 8 ) 由于u n b - u p 是一个小量，略去它比略去口。甜二项的影响要小得多。因此，压力修正 更准确。本文即用该方法进行计算。 3 2 3 湍流模型 由于水轮机内部流动一般为湍流，而对上述方程，要直接求解其湍流流动目前是 不可能的。因此，必须采用相应的湍流模型【2 1 】【2 2 1 ，以简化求解。在此选择“霄诺平 均”( r e y n o l d a v e r a g i n g ) 方法。 雷诺平均法在工程中应用较为广泛。其基本思想是将湍流变量分解为时均量和脉 动量。例如对流速，令： ”。= “+ “； ( 3 - 1 9 ) 其中，甜为时均量， 珏去t p 2 ( 3 - 2 0 ) u7 为脉动量。对其它量也有同样的分解。将式3 1 9 及其它变量的分解代入方程( 3 - 4 ，3 5 ) 华中科技大学硕士学位论文 中，并按式3 - 2 0 取平均，略时均量上标，得： 丢= 。 昙c 蚶+ 毒沪一吉考+ v 考嗜一两+ z 令硒= 一一u ：u ；，r i j 即为雷诺应力。 ( 3 2 1 ) ( 3 - 2 2 ) 上述方程和( 3 4 ，3 5 ) 在形式上很相似，只是多了雷诺应力项。这样，方程只有4 个，而变量有1 0 个。为封闭这个方程组，人们提出了各种湍流模化方法将r u 与时均 量u ，p 等联系起来。 这里对雷诺应力的处理采用“涡粘模型”，这类方法是处理湍流的经典方法，即认为 湍动对主流的影响可与物理粘性相比拟，引入湍流涡团粘性概念( 布辛涅斯克假设) ： 一而：= 肼尝+ 静一詈c 席+ 鸬挈乞 ( 3 - 2 3 ) 其中， t：掣(3-24) 为湍流脉动动能。而对湍流粘度i l 。，不同处理方法有不同的假设。这里采用最常用的 标准k e 双方程模型。标准的k - e 双方程模型需解湍动能k 和耗散率e 的输运方程， 并建立它们与湍流粘性的关系： p 瓦d k = 毒+ 拿拳+ g 一肛 c ，彩) p 尝= 毒+ 铮静托q ，譬 c 乏6 ， 其中，“= 以了k 2 为湍流涡团粘性系数。 源项) ： g k = - 丽等 g k 是由于速度梯度引起的应力生成项( 或 ( 3 2 7 ) 1 8 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = 一： 经模化后，有：g k = pt s 2 其中，s = 厨，岛= 丢鬃+ 这种方法稳定、简单、经济，并在较大的工程范围内具有足够的精度。 3 2 4 进出口边界条件 对不可压流体的流动而言，进口条件有两种取法，一是压力进口条件，二是速度 进口条件。其中，速度进口条件须分别给定速度大小和方向或者给定质量流的大小和 速度方向。压力进口条件则需要给定进口总压及进口速度方向，这个总压可根据水头 决定，而进口速度方向则根据设计情况给定。 在灯泡贯流式水轮机引水管和活动导叶的计算中，进口边界条件给定质量，方向 为垂直进口。出口边界条件可以给定一定的压力或者压力为零。 在转轮的设计中，进口给定流速方向和质量，但由于其进口在锥形管内，进口流 速方向必须分解为三个坐标轴方向，公式如下： v a = s i nd * c o sb( 3 - 2 8 ) v r = - s i na * s i nb( 3 2 9 ) v t - - - c o sa( 3 3 0 ) 其中，n 为导叶出流平均速度角度，b 导叶轴心线与机组轴线的夹角 由于锥形导叶的结构特点决定了其顶部和底部的流动差别很大，所以上面的进口 边界条件并不能真实的反映转轮进口的流动状态，最理想的方法就是转轮和导叶联合 计算，进口边界条件给定质量流，速度方向为平行于轴方向。 尾水管的稳定流计算中，若尾水管单独计算，进口条件便由转轮出口的流速分布 给定。若为转轮和尾水管的联合计算，则以选定的工况点计算进口速度方向和质量流 的大小来给定转轮的进口边界条件。 2 2 5 壁面函数 湍流受壁面的影响很大，很明显，平均流动区域将由于壁面不光滑而受到影响。 当然，湍流还受到壁面其他的一些影响。在离壁面很近的地方，粘性将抑制流体切线 1 9 华中科技大学硕士学位论文 方向速度的变化，而且流体运动受壁面阻碍从而抑制了正向的脉动。但近壁面的外部 区域，湍流动能受平均流速的影响而增大，湍流运动加剧。在湍流粘性计算中，在固 体边界条件规定无滑移条件。这样，在近壁区域粘性效应大，适用于高雷诺区的模型 在此不再适用。另一方面，近壁区的速度梯度大，理论上近壁区应布置极密的网格才 可能获得满意解。这样会使网格节点大大增加造成计算资源的浪费。 壁面函数【2 1 】【2 2 】是处理这个闯题的一种方法： 令：p 一第一内节点 w 一壁面上点 则l ：麒生兰 ( 3 3 1 ) y p 第一内节点p 上与壁面平行的流速应满足对数分布规律： “= 0 ) ，y l 15(3-32) , + = y ，+ 1 1 5 ( 3 - 3 3 ) 其“= 华旧) y = 2 c l 4 业k l 2 v v 3 3 水力机械不稳定流场计算 ( 3 - 3 4 ) ( 3 3 5 ) 3 3 1 水力机械过流部件内不稳定流场计介绍 另一方面，仅仅从事转轮内的稳定流场计算还不足以解决所有与水轮机有关的问 题。随着技术的进步，人们对产品的要求也越来越高。在水轮机盼效率指标正在逐步 提高的同时( 一些模型转轮的最高效率超过9 4 ) ，一些己建成电站水轮机在运行过 程中出现的空化、振动等同趣也弓f 起生产厂家和研究人员越来越多的重视。尤其是现 在，水轮机日益向高比转速、大容量的方向发展，相应地对机