混流式水轮机水力优化设计与研究

论文摘要

水力资源作为可再生能源之一,具有相对低廉的开发成本,开展相关水力机械的研究意义重大。我国水力资源储量丰富,但泥沙河流众多,大部分水电站均受到泥沙磨损的困扰,并且现运行多数水轮机是在清水水质下所设计研发。而实际运行中由于工作水质的改变,水轮机偏离设计工况,造成水轮机转轮叶片表面可能同时遭受空蚀和沙粒磨损的联合作用,从而导致水轮机运行稳定性和寿命受到严重威胁。本文应某水电站高水头、高转速和高泥沙的设计工况及要求,进行了水轮机的选型、各通流部件结构的设计。然后基于流体动力学理论,采用计算流体动力学（CFD）模拟仿真软件CFX开展了水轮机结构的优化及其内部固-液两相流动的研究。主要开展工作如下:（1）根据水电站所给定的水头H、流量Q、出力P和含沙量等原始设计参数及其它相关要求,完成了水轮机型号的选取和各通流部件（蜗壳、座环及活动导叶、转轮和尾水管）主要结构尺寸的确定,并以此建立了蜗壳、座环及活动导叶、转轮和尾水管的三维水体计算模型。（2）介绍了计算流体力学的基本概念和相关控制方程,以及目前工程实际中常使用的一些湍流模型理论和固-液两相流模型理论,并根据水电站实际工况要求,完成了对湍流模型以及两相流模型的选取。然后,利用CFX软件完成了对计算方法和计算域边界条件的设置。（3）基于数值模拟方法,采用ANSYS CFX软件对设计工况下水轮机进行了全流道固-液两相流数值模拟计算,完成了水轮机内部流动水力损失计算和其它各项水力性能评估。然后依据模拟计算所得到的水轮机整体水力效率、转轮叶片正背面压力分布情况和全流道固-液两相流场流动特性分析结果,对转轮叶片各主要结构参数（入水边安放角、出水边安放角和厚度）进行了改型优化设计,同时研究了各主要结构参数对水轮机整体水力性能的影响。（4）依据水电站实际运行情况,选取了三种典型的非设计工况点。然后采用数值分析的方法,对所选取各工况点下水轮机优化模型分别进行了全流道固-液两相流数值模拟计算。最后通过对比分析,预测了各工况点下所设计水轮机各通流部件沙水两相压力分布、两相速度分布和沙粒浓度分布情况。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
•   1.1 课题研究背景和意义
•   1.2 国内外水轮机应用发展历程
•   1.3 国内外水轮机水力性能研究现状
•     1.3.1 国外研究现状
•     1.3.2 国内研究现状
•   1.4 课题来源和主要研究内容
•     1.4.1 课题来源
•     1.4.2 主要研究内容
• 2 混流式水轮机几何模型建立及计算域网格划分
•   2.1 水轮机主要结构参数的确定
•   2.2 流式水轮机各通流部件模型建立
•     2.2.1 蜗壳三维水体建模
•     2.2.2 座环及活动导叶三维水体建模
•     2.2.3 转轮三维水体建模
•     2.2.4 尾水管三维水体建模
•   2.3 混流式水轮机全流道各计算域网格划分
•     2.3.1 网格简介
•     2.3.2 各计算域网格生成
•   2.4 本章小结
• 3 流场解析的基本理论及计算方法设置
•   3.1 流动控制方程
•     3.1.1 质量守恒方程
•     3.1.2 动量守恒方程
•   3.2 湍流数值计算模型
•     3.2.1 Reynolds平均法（RANS）
•     3.2.2 大涡模拟模型
•   3.3 固-液两相流模型
•   3.4 控制方程计算方法设置
•     3.4.1 边界条件设置
•     3.4.2 离散格式设置
•   3.5 本章小结
• 4 设计工况下混流式水轮机转轮叶片的水力特性优化
•   4.1 转轮叶片各结构参数的优化
•     4.1.1 转轮叶片安放角的水力特性优化
•     4.1.2 转轮叶片厚度的水力特性优化
•     4.1.3 改型前后转轮叶片表面压力性能分析
•   4.2 设计工况下转轮优化模型及其他通流部件数值计算结果与分析
•     4.2.1 蜗壳内部流场流动特性及性能预估
•     4.2.2 座环及活动导叶内部流场流动特性及性能预估
•     4.2.3 转轮内部流场流动特性及性能预估
•     4.2.4 尾水管内部流场流动特性及性能预估
•   4.3 本章小结
• 5 非设计工况下水轮机数值模拟计算结果与分析
•   5.1 计算工况点的选取
•   5.2 各工况点水轮机内部流态分析
•   5.3 各工况点下水轮机水力效率分析
•   5.4 工况点1水轮机各通流部件内部流场流动特性及性能预估
•     5.4.1 工况点1蜗壳内部流场流动特性及性能预估
•     5.4.2 工况点1座环及活动导叶内部流动特性及性能预估
•     5.4.3 工况点1转轮内部流场流动特性及性能预估
•     5.4.4 工况点1尾水管内部流场流动特性及性能预估
•   5.5 工况点2水轮机各通流部件内部流场流动特性及性能预估
•     5.5.1 工况点2蜗壳内部流场流动特性及性能预估
•     5.5.2 工况点2座环及活动导叶内部流场流动特性及性能预估
•     5.5.3 工况点2转轮内部流场流动特性及性能预估
•     5.5.4 工况点2转轮内部流场流动特性及性能预估
•   5.6 工况点3水轮机各通流部件内部流场流动特性及性能预估
•     5.6.1 工况点3蜗壳内部流场流动特性及性能预估
•     5.6.2 工况点3座环及活动导叶内部流场流动特性及性能预估
•     5.6.3 工况点3转轮内部流场流动特性及性能预估
•     5.6.4 工况点3转轮内部流场流动特性及性能预估
•   5.7 本章小结
• 6 总结与展望
•   6.1 总结
•   6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王振振

导师: 陈世平,李青峰

关键词: 混流式水轮机,固液两相流,水力优化,非设计工况

来源: 重庆理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地球物理学,水利水电工程,水利水电工程,动力工程

单位: 重庆理工大学

分类号: TK733.1;TV136.1

总页数: 84

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