cfd计算在转桨式水轮机中的应用

cfd计算在转桨式水轮机中的应用

由于能源需求的快速发展和设备的灵活性，abs通电气公司（abs通电气公司）专注于翻新桨机。转桨式水轮机通常用于10~50m的低水头,但由于其转轮叶片和活动导叶采用双调节系统,因而这种水轮机最适合于水头和负荷变化范围较宽的情况。虽然许多年从非专业观点来看,转桨式水轮机的总体形状没有改变,然而近来随着在转桨式水轮机设计方面CFD计算技术的广泛使用,以及试验台测试技术的进步,使得设计工程师可以对水轮机进行许多改进。1转桨式水轮机的特性当今纳维尔—斯托克斯CFD软件已充分研究了数值计算、紊流度,并通过模拟精确计算转桨式水轮机固定和转动部件的特性和水流状态。因此,在初设阶段就可能计算出所有机械部件。1.1叶栅内部网格通常,半蜗壳(蜗壳)与整个双叶栅啮合,包括混合叶片在内。数值计算就可确定双叶栅内的流量分布,以及整个固定导叶叶栅的入射角分布。通过精确的网格就可能测定蜗壳内的水头损失。图1表示GrandMère工程的半蜗壳中心线平面流线。1.2间隙的确定一旦蜗壳已进行计算和分析,串联叶栅以及活动导叶和转轮之间的间隙以蜗壳为边界条件进行计算(图2)。这种计算可以区分主要部位(固定导叶、活动导叶、间隙)与重点部位的损失,如重要的间隙损失(随着流量的减小而增大),这在以前一直被低估。1.3研究转轮的设计通常,这种计算已考虑从固定导叶进口至尾水管出口的整个流道,这就使得在不施加进出口条件的情况下研究转轮成为可能,因而这种转轮设计更加严谨精确。1.4水力流道的模型试验所有CFD计算已经过阿尔斯通试验室专用试验台的试验证实。这些试验检验和证明了CFD计算的预测。GrandMère电站水轮机开发和设计过程就是一个很突出的例子。该电站设3台容量为77MW的转桨式水轮机,运行水头24m。要解决的难题是保证非常高的性能和良好的空蚀状况。该电站的整个水力流道是用CFD计算技术研究设计,从蜗壳进口到尾水管出口。所有的损失都进行计算,并与测试值逐一比较。测试项目不仅仅是效率和出力,还有与机组运行相关的所有项目,如空蚀、压力和/或压力脉动、转矩以及飞逸转速。按合同该电站的模型试验在阿尔斯通的试验室进行。试验证明CFD的预测和设计的优良质量。2cfd在实验中的应用现在,水轮机的改造和增容一般要求增加效率和出力。而往往在更换转轮的同时,对部分流道进行改进。阿尔斯通对改造工程的研究特别注重CFD计算。第一步包括现有几何形状的确认。根据有效技术文件和图纸,阿尔斯通会提出测量部分或全部几何形状的建议,并到现场核实。第二步是对原来的和修改后的几何形状进行专门的CFD计算,从而得到修改方案(见图3、4)。如拉脱维亚的Kegums1号电站(共有4台容量为18MW的转桨式水轮机,运行水头14m),在更换转轮的同时,对尾水管弯管段进行修改。提出的性能保证考虑了上述更换和修改。在阿尔斯通试验室完成的模型试验证实了经CFD计算分析所预期的原型机组的出力提高可能大于20%。在完成设计和模型试验后,原型转轮用数控铣床精密加工,以保证与理论水力型线吻合。3以及在机械系统中的应用CFD计算不仅能够精确地设计所有部件,而且还能更好地了解一些详细情况,如密封、间隙的影响。尤其是用新概念设计部件时,如一种能顺利过鱼的转桨式水轮机。这些机组的设计已成现实,采用了适合转桨式水轮机所有重要特性,利用了转轮最小间隙概念,以及转轮叶片数最少。这就意味着要使用较大的叶片通道和较长的叶片,以避免在流道中产生低压,以及降低鱼碰撞的概率。这也通过模型试验证实了CFD计算预测的正确有效性。4提高预压机的性能在此简要总结,是想强调现在一些转桨式水轮机的开发正在采用CFD计算分析。事实上,这更便于加深对一些损失的理解,以及实现水轮机所有部件同时达到最