报告-轴向水推力计算.docx

1 轴向水推力的计算电站运行工况参数如表1所示。工况转速(RPM)流量(m3/s)水头(m)蜗壳进口压强(MPa)尾水管进口压强(MPa)单机发额定出力(40MW) +最高水头工况50014.69313.2303.08280.02484台全发设计工况500162882.85750.0479单机发最大出力(45.8MW) +最高水头工况50016.198312.4003.06380.01574台超5%额定出力工况(42MW)50017.052852.81330.04254台超10%额定出力工况(44MW)50018.32792.75890.03574台全发最大出力(45.8MW)50018.32792.75890.03574台甩额定负荷蜗壳最大水压对应工况625.294.738375.4903.74360.06004台甩额定负荷蜗壳最大转速上升对应工况671.013.622359.0163.60090.07904台甩42MW蜗壳最大水压对应工况686.453.957374.3573.74830.07594台甩42MW蜗壳最大转速上升对应工况690.853.711359.9573.61200.08084台甩44MW蜗壳最大水压对应工况709.553.963375.42483.75990.07704台甩44MW最大转速上升对应工况712.343.782357.5303.59060.08324台发额定出力,1G调频模式其余3台甩负荷5006.955338.73.4030.03344台发42MW,1G调频模式其余3台甩负荷5007.35337.46943.33240.021824台发44MW,1G调频模式其余3台甩负荷5008.381335.01473.29690.01038飞逸工况8019.001311.853.09020.0309表1图 1 如图1所示，混流可逆式水轮机转轮轴向水推力Fw(方向向下为正)的构成可描述1为：Fw=F1-F2-F3-F4F1=F11+F12+F13+F14F2=F21+F22+F23F3=F31+F32F4=F41+F42式中：F1转轮上冠上表面所受轴向水推力，向下为正；F2转轮下环外表面所受轴向水推力，向上为正；F3转轮进、出口所受轴向水推力，向上为正；F4转轮内腔流道表面所受轴向水推力及转轮在水中浮力，向上为正；F11上止漏环外侧高压腔上冠上表面所受轴向水推力；F12上止漏环齿槽处上冠上表面所受轴向水推力；F13上止漏环内侧低压腔上冠上表面所受轴向水推力；F14主轴密封腔内法兰盘上表面所受轴向水推力；F21下止漏环外侧高压腔下环外表面所受轴向水推力；F22下止漏环齿槽处下环外表面所受轴向水推力；F23下止漏环内侧低压腔下环外表面所受轴向水推力；F31转轮进口断面所受轴向水推力；F32转轮出口断面所受轴向水推力；F41转轮内腔流道(包括叶片)表面所受轴向水推力；F42转轮在水中浮力。轴向水推力的计算采用两种方法。F3和F4采用ANSYS CFX软件数值模拟计算得到，而转轮上冠和下环水体计算域由于尺寸太小，采用数值模拟方法无法准确计算出结果，所以F1和F2采用解析计算方法得到。1.1 转轮轴向水推力的解析计算(1) F11，F13，F14和F21，F23的求解转轮上冠上表面或下环外表面所受轴向水推力的公式1如下：Fij=p0-2K0nr0302r22-r12+K0n302r24-r144式中：Fij所求轴向水推力(即F11，F13，F14和F21，F23)(N)；r0，p0已知点处的半径(m)和静压力(Pa)；水的密度(kg/m3)；n转轮转速(RPM)；r1，r2对应腔体内、边界处的半径(m)；K0圆周速度系数，一般取0.5。(2) F12和F22的求解转轮上、下止漏环齿槽处的轴向水推力公式1如下：Fij=p1-p2-p1r2-r1r1r22-r12+23r23-r13p2-p1r2-r1式中：Fij所求轴向水推力(即F12，F22)(N)；r1，r2上、下止漏环内外侧的半径(m)；p1、p2上、下止漏环内外侧的静压力(Pa)。1.2 转轮轴向水推力的数值模拟计算水轮机的计算区域由蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮和尾水管等组成。三维建模软件采用Siemens PLM Software公司出品的UG NX 8.0，为更接近真实流场的边界条件，建模时对蜗壳进口和尾水管出口作适当延伸。全流道三维实体模型如图2所示。图2模型网格划分采用适应性非常强的非结构化四面体网格。为保证计算精度，对流动梯度较大的区域作了网格加密处理。由于不同的工况对应不同的导叶开度，因此每一个工况都要重新对活动导叶建模并划分网格。导叶开度及对应的网格节点数和单元数如表2所示。工况活动导叶开度(mm)网格节点数网格单元数单机发额定出力(40MW) +最高水头工况71.583494145163274台全发设计工况83.47974674325629单机发最大出力(45.8MW) +最高水头工况79.383498445163944台超5%额定出力工况(42MW)89.783501845165514台超10%额定出力工况(44MW)97.983492745160494台全发最大出力(45.8MW)97.983492745160494台甩额定负荷蜗壳最大水压对应工况54.279748343254094台甩额定负荷蜗壳最大转速上升对应工况24.183478945155674台甩42MW蜗壳最大水压对应工况34.183476445153084台甩42MW蜗壳最大转速上升对应工况25.783495945160844台甩44MW蜗壳最大水压对应工况34.383476445153084台甩44MW蜗壳最大转速上升对应工况28.383484945157194台发额定出力,1G调频模式其余3台甩负荷83.679746743256294台发42MW,1G调频模式其余3台甩负荷90.583496145162134台发44MW,1G调频模式其余3台甩负荷98.58350604516758飞逸工况1108349564516194表2计算基于CFD数值模拟方法，采用SIMPLE算法求解不可压缩流体的时均NS方程。湍流模型选取RNG k-模型。边界条件采用质量流量进口(无质量流量数据的采用压力进口)，压力出口。流体内近壁区采用标准壁面函数法处理，壁面采用无滑移边界条件。转轮与活动导叶、尾水管之间的动静耦合交界面采用frozen-rotor处理。CFX-Pre示意图如图3所示。图 3CFD-Post示意图如图4所示。图4轴向水推力计算结果如表3所示。工况F1(N)F2(N)F3(N)F4(N)FW(N)单机发额定出力(40MW) +最高水头工况441925830369621752920930311905224台全发设计工况46307683142801144441528471349564单机发最大出力(45.8MW) +最高水头工况469119932063051464614536213541794台超5%额定出力工况(42MW)481206232274721345425411813439264台超10%额定出力工况(44MW)508400433968151908018461815216514台全发最大出力(45.8MW)508400433968151908018461815216514台甩额定负荷蜗壳最大水压对应工况4043306300517126364734179910834台甩额定负荷蜗壳最大转速上升对应工况48298453730524309593063010996514台甩42MW蜗壳最大水压对应工况50593733858239318288387111490914台甩42MW蜗壳最大转速上升对应工况52284044148672315945916410521624台甩44MW蜗壳最大水压对应工况53869204165444324316827911856294台甩44MW最大转速上升对应工况53788934182739340622252812076884台发额定出力,1G调频模式其余3台甩负荷281782520420768047752037085944台发42MW,1G调频模式其余3台甩负荷2787