轴流式水轮机叶片几何形状的研究

轴流式水轮机叶片几何形状的研究

0轴流式水轮机运行特性在叶片设计的初始阶段，叶片的离开水面在同一轴的截面上，并且根据翼的长度和位置，叶片在进入水面上。这种形式的叶片进出水边使得水轮机在运行过程中存在很大的缺陷,如:空蚀性能较差,叶片容易产生裂纹和断裂等。近年来,计算流体力学和计算机的高速发展以及CFD(computationalfluiddynamics)在水轮机水力设计中的应用使得能够准确的认识水力机组内部的流动状态,随之也出现了多种水轮机优化方法以及性能预测方法,并能够准确的对水轮机的空化磨损及运行寿命进行预估。目前,国内外学者对轴流式水轮机运行过程中产生的问题也做了大量的研究。如提出新的轴流式水轮机各过流部件的改进方法;轴流式水轮机转轮内间隙空化的主要形式和产生机理的研究等。在对轴流式水轮机内部基本流动特性进行研究的同时,很多学者也致力于叶片几何参数对水轮机性能的影响的研究。TCVu等人采用CFD技术首先对含有6个不同叶片轴流式转轮进行研究,并与采用其几何平均叶片的水轮机进行对比,得出了不同叶片对其运行范围的影响。JNicolle等人采用CFD对水轮机叶片制造或现场打磨过程中可能出现的微小差异进行分析,以研究翼型的微小差异对水轮机运行性能的影响。东方电机厂赵永智对葛洲坝水轮机转轮最优工况、额定工况的主要内部流动特性进行分析,并找出原有转轮的设计缺陷,并据此对原转轮叶片的局部几何型线进行优化改进。由上述可知,轴流式水轮机叶片几何形状的差异对水轮机的运行性能将产生很大的影响,需对其进行系统的研究。因此,本文在相同的叶片安放角的情况下,采用3种不同的叶片进水边形状,研究不同的叶片进水边形状与水轮机运行参数、性能参数之间的关系。1几何模型和计算域1.1轮机叶片形状以及进水位置的确定随着水轮机设计方法的日渐成熟以及对其内部流动特性的准确了解,轴流式水轮机叶片形状以及进出水边位置的确定也有了很大的改进。如图1所示,叶片进出水边形状由原来的直线型逐渐演变为现在的曲线型,水轮机叶片形状也由扇形演变为现在的空间扭曲型,这使得轴流式水轮机的运行性能也有很大的改善。1.2轴流转桨式水轮机叶片进水边形状的影响本文以某模型轴流转桨式水轮机为研究对象,并进行包含蜗壳、活动导叶、转轮、尾水管在内的整机联合数值计算,其中固定导叶12个、活动导叶24个、转轮叶片5个,计算域如图2所示。在其余过流部件相同的情况下,分别对3种不同的叶片进水边形状(如图3所示)的转轮进行数值研究,以研究轴流转桨式水轮机叶片进水边形状对水轮机性能的影响。为消除其余因素对研究结果的影响,对于同一叶片采用三种不同的叶片进水边形状。由图3a可以看出,3种方案中,方案1叶片进水边半径R由轮毂到转轮室呈递减趋势;方案2和方案3相对于方案1,叶片进水边靠处转轮室处R增大,而靠轮毂处下移,即R减小;方案2和方案3叶片进水边靠转轮室处位置相同,但靠轮毂处,方案2位置低于方案3,其不同叶片型线示意图如图3b。2数学模型与边界条件2.1网格划分及计算分析轴流式水轮机内部流动是以水为介质的、复杂的三维流动,可以视为不可压缩流动。本文首先采用四面体网格对计算域进行网格划分。同时基于Navier-Stoke(N-S)方程,应用标准k-ε湍流模型进行计算和分析。N-S方程的描述:动量守恒其中:p为压强,Pa;ρ为密度,kg/m3,Sij为附加源项。2.2确定相对压力和边界条件本文以蜗壳进口作为计算域的进口,尾水管出口为计算域出口。具体的边界条件给定如下:进口给定质量流量,并假设速度方向垂直于蜗壳进口面;出口给定相对压力;假设壁面无滑移,靠近壁面区域采用标准壁面函数法进行处理;静止和转动部分采用动静干涉面。3结果与分析3.1叶片压力分布叶片表面压力分布可直接反映其能量性能及空化性能。对于轴流转桨式水轮机,其空化部位一般分布在转轮叶片正背面轮缘头部、转轮室、叶片外缘、叶片背面下部偏向出水边和轮毂体等局部。图4为不同叶片进水边在不同工况下,叶片正背面压力分布。由图可以看出,在3种方案时,方案1由于叶片进水边靠近轮毂处R值要大于靠转轮室处,有将水流导向转轮室的趋势,同时水流在离心力的作用下也被甩向轮缘部分,因而在叶片背面进水边靠近轮缘处的相应部位因大量绕流而存在低压区,使该处易发生空化。同时,在叶片正面靠近出水边部位,其压力值也相对较低,这将导致在此部位发生空化空蚀,缩短转轮寿命。方案2和方案3,相对于方案1在叶片进水边靠近轮缘处的上移,有将水流导向轮毂方向的趋势,因而能够很好的缩小叶片进水边背面的低压区以及改善叶片正面进水边附近的水流撞击,明显提高了叶片最低压力值。同时方案2和方案3转轮叶片正背面的压力分布较方案1更加均匀,这将有利于叶片空化性能的改善。3.2叶片进采用汽化压力基准,以达到也非预压断面的方案2水流绕流叶片时速度增加,压力降低,当水流压力降低到该温度下的汽化压力时,就会产生空蚀。因此本文在研究不同叶片进水边形状对转轮内部易空蚀部及空蚀面积的影响时,以水的汽化压力为基准,取不同叶片进水边形状的情况下转轮内部的等压面,来近似预估转轮内的空蚀情况。图5所示为不同叶片进水边形状时转轮内空蚀部位分布,3种方案时转轮内的易空化部位均分布在叶片背面。方案2和方案3能够使得转轮内的低压区面积明显减小,且消除了方案1时叶片进出水边的低压空化区域。方案3相对于方案2,不仅使转轮内的总空化区域面积有所减小,同时在叶片背面靠轮毂处的低压区也基本消除,很好的改善了叶片的空化性能。3.3不同工况下叶片的流量分配水轮机叶片进出水边的形状差异不仅影响水轮机的过流能力和空化性能,而且影响转轮内部从轮毂到转轮室的流量分配。本文为研究叶片进水边对转轮内部流量分配的影响,将转轮中间截面从轮毂到轮缘分为5个环面,如图6所示,通过统计各个环面的流量来进行分析。表1为不同工况时,不同叶片进水边形状的转轮在其中间截面的相对流量,由表可以看出,水轮机转轮内的流量分配主要集中在靠转轮室附近,且流量越小,流道内的流量分配越不均匀。在小流量工况,导叶开度和转轮转速均较小时,以叶片进水边分配流量为主导,叶片进水边靠轮缘处的上移和轮毂处的下移,有将水流导向轮毂部分的趋势,因此相对于方案1,方案2和方案3流道内由轮毂到转轮室的流量分配也趋于均匀。在流量较大的工况下,转轮旋转对水流产生的离心力较大,均衡了由叶片进水边形状的不同对水流分配的均衡作用,使水流更多的被甩向转轮室,且随着流量的逐渐增大,这种趋势越明显。3.4叶片进采用不同形状的叶片边界环量分布轴流式水轮机中,由于水流从导叶出口到转轮进口这段流道中不受任何外力矩的作用,水流作等速度矩运动。因此根据环量计算公式:C=2πCuR(Cu为绝对速度的周向分量(m/s);R为半径(m),即计算点与转轮转轴之间的距离半径),沿转轮进口环量从轮毂向轮缘随半径的增加逐渐的增加。图7给出了进出口曲线的位置以及3种方案叶片进出口环量分布:由图可以看出,叶片进水边环量由轮毂到轮缘逐渐增加,方案1中环量的增加梯度均大于其他2种。3种不同形状的叶片进水边对轮缘处环量分布影响较大。叶片进水边靠轮缘处位置越高,其环量越小。进水边形状的不同对出水边的环量分布影响较小。3.5发电机的空化系数图8为3种方案时水轮机的效率曲线及空化系数。从图8可以看出,方案2和方案3相对于方案1在叶片进水边靠轮毂处的下移以及靠轮缘处的上移,使得水轮机的运行范围向小流量方向移动,而且从小流量到最优点的效率也均有所提高。同时,从空化系数曲线可以看出,方案2和方案3相对于方案1对转轮叶片进水边形状的修改,能够很好的降低空化系数,改善水轮机的空化性能;而方案3相对于方案2在叶片进水边靠轮毂处的位置的上升,也使其空化性能得到了很好的改善。4轴流式织物运行结果分析本文采用数值研究的方法对具有3种不同形状的轴流转浆式水轮机叶片进行深入的研究,并对不同叶片进水边形状对水轮机性能的影响进行分析,主要结论如下:1)叶片进水边靠近轮缘处的上移以及靠轮毂处的下移,能够很好的改善叶片正背面压力分布,同时减小了叶片出水边及进水边靠轮毂处的低压区,提高叶片最低压力点压力,进而提高了水轮机的空化性能。2)小流量工况时,叶片进水边靠轮缘处的上移和轮毂处的下移,在有将水流导向轮毂部分的趋势;而流量较大时,这种趋势逐渐减弱。3)叶片进水边的形