轴伸贯流式水轮机CFD计算的性能分析.pdf

第2 6卷 第 5期 2 0 0 8年 9月 排灌机械 dr a i n a g e a n d i g a t i o n ma c h i n e r y v o 1 2 6 n 0 5 s印 2o 0 8 轴伸贯流式水轮机 c f d计算的性能分析 齐学义 张庆 兰州理工大学 流体动力与控制学院 甘肃 兰州 7 3 0 o 5 0 摘要 针对某水电站 g d 0 0 8 一w z 一1 4 0 轴伸贯流式水轮机运行中存在着出力不足 并伴随有振 动和噪声等导致不能正常运行的问题 运用 c f d数值模拟技术分析并找出了其问题产生的主要原 因 依据最终模拟与性能预测的结果对其翼型与叶片作 了修形 并对整个转轮作 了改造 设计 出了 l g d 0 8 一wz 一1 4 0型转轮 对 l c d o 8 一wz 一1 4 o型转轮配以原过流通道进行 了全流道的 c f d数值 模拟 对其进行的性能预测与试运行结果表明 机组出力和效率达到并可超出原设计指标要求 噪 声明显减弱 已由9 5 d b降低为8 3 d b 震动亦基本消除 因此 转轮叶片的改造是成功的 关键词 贯流式水轮机 流场 叶片 翼形 c f d 性能预测 中图分类号 t k 7 3 3 8 文献标志码 a 文章编号 1 0 o 5 6 2 5 4 2 0 0 8 0 5 0 0 0 9 0 5 s h a f t e x t e i i s i 0 n t u b u l a r t u r b i n e p e r f 0 r ma n c e a n a l y s i s b a s e d 0 n cfd c a l c u l a t i 0 n q i x t 一 z h a n g q g c 0 1 l e g e o f f l u i d p 0 w e r a n d c 0 n t ml l a n z h o u u n iv e r s i t y 0 f h n o l o g y l a r i z h o u g a n s u 7 3 o o 5 0 c h i n a abs t r a c t co ns i d e r i n g f 0 r gd0 o8 一 w z一 1 4 0 s h a f t e x t e n s i 0 n t u b u l a r t u r b i n e i n s o me h y d mp o we r s t a t i o n wh i c h h a s s e r i 0 u s p o b l e ms s u e h a s 1 o s s e f d r t v i b i a t i 0 n a n d n 0 i s e cf d w a s u s e d t 0 s t u d y t h e ma i n i e a s o n 0 f t h e p r o b l e ms b a s e d 0 n t h e s i mu l a t i 0 n i le s u l t s a n d p e i f 0 瑚 a n c e p i le d i c t i o n t h e l gd 0 8 wz 1 4 0 m n n e r wa s d e s i g n e d t he n0 w i n t h e n e w i 1 l n n e r c o u p l e d wi t h t h e 0 r i g i na l no w p a s s a g e wa s s t i mu l a t e d t h e r e s u l t s o f p e d 10 r ma n c e p r e d i c t i o n a n d t r i a l o p e r a t i 0 n s h 0 w t h a t t h e p 0 we r c a n e x c e e d t h e o r i g i n a l d e s i g n s t a nd a r d r e q u i r e me n t s t h e n 0 i s e r e d u c e s f lr 0 m 95 d b t 0 8 3 d b a n d t he v i b r a t i o n i s b a s i c a l l y e l i mi n a t e d the i e f l0 r e t h e t r a n s f 0 r r n a t i o n o f t h i s mn n e r i s a s u c c e s s ke y wo r d s t u b u l a r t u r b i n e n 0 w b l a d e wi n g p r 0 l e cfd pe 0 r n 1 a n c e p r e d i c t i o n 轴伸贯流式水力发 电机组由于其 比转速高 过 流能力大 水力效率高 结构简单 土建工程量少等 优点 被广泛应用于低水头 小型水力资源开发的水 电站中 贯流式水轮机从结构上与其他反击式水轮 机的最大区别是其流道平直且没有蜗壳形式的引水 装置 整 台水轮机的性能取决于所有过 流部 件 的性能 为了提高水轮机的性能 更多地 了解每个部 件改进的可能性是非常必要 的 在水 电站设备改造 和更新的情况下 电站某些 旧的部件仍为原来 的形 状和尺寸 新的水轮机部件必须与原有 的部件相 匹 配 由于这些原因 了解水轮机的损失分布是非常重 要的 c f d用 于水 力 机械 的模 拟 和 分析 已得到 认 可 j 故用 c f d进行数值分析是可行 的 本研究 针对某水 电站 g d c 10 8 一wz 一1 4 0轴伸贯 流式 水轮 机存在着出力严重不足 振动 噪声大等问题 依据 收稿 日期 2 0 0 8一 o 4 2 8 作者简介 齐学义 1 9 4 5 一 男 辽宁台安人 教授 博士生导师 q i x y l u t c n 主要从事流体机械的内部流动分析及其性能研究 可逆式 水力机械 中小型水 电站机组增容改造的研究 张庆 1 9 8 3 一 女 湖北石首人 硕士研究生 z h a n g q i n 9 9 9 8 1 6 3 c 0 m 主要从事流体机械的内部流动分析及其性能的 研究 l o 排 灌 机 械 第 2 6卷 c f d数值分析进行翼型与叶片的修形 改进 设计 出了 l g d o 8 一wz l 4 0型转 轮 然 后对 l g d o 8 一 wz 一1 4 0型转轮配以原过流通道进行全流道模拟 采用 r e a li z a b 1 e 一 湍流模型计算 并对其作出性 能预测 1 计算区域 本流场数值模拟的计算域确定为从引水室进 口 至尾水管出口 包括机组进 口的引水锥管段 导叶 转轮室 转轮 尾水管等 对其进行全流道模拟 计 算区域 的 实体 造 型 利 用 p r 0 e完 成 如 图 l 所示 图l 计算区域 f i g 1 c 0 mp u t a t i 0 n a l d 0 ma i n 2 工况选取 6 2 m 转速为3 0 0 r m i n的轴伸贯流式水轮机进行流 场计算分析 计算工况的选取分别在3 个不同叶片安 放角即2 0 2 2 5 2 5 下 选取 5个导 叶开度 即最小 流量 最大流量 最优工况 以及在最小工况与最优工 况之间和最优工况与最大工况之间各取一个工况 3 边界条件的设置 计算中采用 了 r e a l i z a b l e 一 紊流模型 利用 s i m p l e c方法进行速度 一压力的耦合 由于水轮机 的设计工作水头为定值 所以 计算中的边界条件设 定为压力进 口和压力 出口 在 固体壁面上采用无滑 移边界条件 近壁处采用壁面函数法处理 4 运转特性 水轮机的水力效率 1 v 式中 为转轮输出的扭矩 为转轮旋转的角速度 p为引水端进 口与尾水管 出口的总压差 q为水轮 机的流量 按上述 公 式计 算 所 得 的水 轮 机 水 力效 率 见 为 了预估该水 轮机 的水力 性能 针 对水头为 表 1 表 1 选定工况计算结果表 t a b 1 re s u i t s 0 f s e l e c t e d c 0 n d i t i o n s ta b l e 其中 原水轮机设计参数为引用流量l 1 6 m s 装机容量 5 0 0 k w 设计效率 8 7 由上述计算结果 可知 各计算工况下水轮机输 出的功率均 已达到并 超出原设计功率 设计工况点 的效率均较原设计效 率要高 在叶片安放角为2 o 时高出5 在叶片安 放角为2 2 5 时高出3 在叶片安放角为 2 5 也高 出了 1 另外 经试运行结果表明 原 g d 0 o 8 一wz 一1 4 o 水轮机在运行 中噪声达 9 5 d b且 明显感觉震动 而 新 l g d o 8 一wz 一1 4 0水轮机在运行 中噪声达 8 3 d b 第5期 齐学义等 轴伸贯流式水轮机 c f d计算的性能分析 l 3 2 由图 5一图 7可见 在小流量工况 和设计工 况下 叶片正面和背面的压力分布合理 即压力分布 是从进水边到出水边逐渐变小 在大流量工况下 叶 片背面分布合理 但在叶片正 面的进水侧出现 明显 的低压区 这是由于该工况下导叶开度大 使得导叶 出水边与叶片进水边 匹配不相适应 从而产生负 冲 角 其中 在 3个特定工况下 叶片正 背面的速度分 布均较合理 3 由图 8可见 在小流量工况下 靠近尾水管 出口的上侧有涡带 这可能是因为在此工况下 通过 的流量较小 相对尾水管出口的流速偏小而发生回 流所致 在设计工况下 尾水管内没有 明显的涡带 分布合理 在大流量工况下 在尾水管弯肘段上侧有 明显的涡带 在尾水管出口也出现了小面积的涡带 这表明导叶和叶片的匹配关 系对尾水管的性能有较 大的影响 同时也与尾水管本身的型式 形状有关 7 结 论 性能分析 预测的结果表明 该水轮机不仅完全 能达到额定出力 而且还具有一定超发能力 且振动 基本消除 噪声明显减弱 因此 对该转轮所实施 的 技术改造完全达到了改造的目的和技术 性能指标 的要求 改造是成功的 同时 计算表明 同一转轮叶 片安放角时 与之匹配的导叶开度直接关系着水轮 机效率和性能 参考文献 r e f e r e n c e s 1 汤毅强 灯泡贯流式和轴伸贯流式水轮机的发展现状 j 东方电气评论 1 9 9 0 4 4 2 7 4 2 7 8 t ang y i q i a n g t h e d e v e l o p me n t 0 f b u 1 b t u b u l a r mr b i n e a n d s h a f t e x t e n d i n g t u b u l a r t u r b i n e j 肪 e 如 c 一 打 l 9 9 o 4 4 2 7 4 2 7 8 i n c h i n e s e 2 梁章堂 胡斌超 贯流式水轮机的应用与技术发展探 讨 j 中国农村水利水电 2 0 o 5 6 8 9 9 o l i an g z h a n g t a n g hu b i n c h a o di s c u s s i o n o n t h e a p p l i c a t i o n a n d t e c h n i q u e d e v e l o p me n t o f t u b l l l a r t u r b i n e i n c h i n a j 眦 尺 mz 耽 e r 0 如 p e r 2 o o 5 6 8 9 9 0 i n c h i n e s e 3 魏显著 刘万江 韩秀力 基于现代 c f d过程的轴流 式水轮机通道的改进设计 j 东方电气评论 2 0 0 5 l 9 1 l 一 7 we i x i a n z h u uu wa n j j a n g ha n x i u l i i m p mv j n g d e s i g n b a s e d o n c f d p mc e d u r e i n k a p l a n t u r b i n e j d 0 n g倒 t 胁 2 0 o 5 l 9 1 1 7 i n c h i n e s e 4 齐学义 冯俊豪 李纯 良 等 三维湍流流动计算在混 流式转轮水力设计 中的应用 j 兰州理工大学学 报 2 o o 6 3 2 5 4 8 5 2 q i x u e y i f e n g j u n h a o l i c h u n j i a n g e t a 1 a p p l i c a t i o n o f 3一d v i s c o u s n o w c a l c u l a t i o n t 0 h y d r a u l i c d e s i g n o f f r a n c i s t u r b i n e j r z q 厂 o u e r s 如加f 0 鲁 y 2 0 0 6 3 2 5 4 8 5 2 i n c h i n e s e 5 柴胜凯 罗兴镝 廖伟丽 轴流泵叶轮内部三维流动分 析 j 排灌机械 2 0 0 4 2 2 1 1 6 1 9 chai s h e n g k a i l u0 xi n g q i l i a0 w e i l i t h r e e d i m e n s i o n a l n o w i n v e s t i g a t i o n o f a x i a 1 p u m p i mp e l l e r j 船 n r r o n肘 鹏 2 o 0 4 2 2 1 1 6 1 9 i n c h i n e s e 6 齐学义 阎晓伟 张庆 基于p m e n g i n e e r 的双流道 式叶轮三维实体造型 j 兰州理工大学学报 2 0 0 8 3 4 1 4 0 4 4 q i x u e y i y a n x i a o w e i z h a n g q i n g 3一d e n t i t y mo d e l i n g 0 f d o u b 1 e c h a n n e l i mp e l 1 e r b a s e d 0 n p r o e n g i n e e r j m r 耽f o u n y c f 2 0 0 8 3 4 1 4 0 4 4 i n c h i n e s e 7 侯祚华 齐学义 常一乐 等 基于 p r o e水轮机转轮 三维造型 j 排灌机械 2 0 0 6 2 4 1 1 4一l 6 ho u y h u a q i x u e y i c h a n g y i l e e t a 1 3一d d e s i g n o f h y d r 0 t u r b i n e s mn n e r b a s e d o n p r 0 e j d m 耽g e 仃 喀0 t n 0 c 2 0 o 6 2 4 1 1 4 1 6 i n c h i n e s e 8 a s c h e n b r e n n e r t 0 t t 0 a mo s e r w c l a s s i c a t i o n o f v 0 r t e x a n d c a v i t a t i o n p h e n o me n a a n d a s s e s s me n t o f c f d p r e d i c t i 0 n c a p a b i l i t i e s c p r 0 c e e d 0 厂f 2 3 艘 m o n 爿 r 肠肘n c 口 s t e i ahr yo k o h a ma j a p a n 0c t o b e r l 7 2 1 2 0 0 6 9 b o g e y c b a i l 1 y c l a 唱 e e d d