轴流转桨式水轮机转轮与尾水管性能优化研究

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1、西安理工大学硕士学位论文卡普兰提出的一种转轮带有外轮环，叶片固定的螺桨式水轮机，这种水轮机把转轮移到轴向位置，大大减少了叶片数，因而过流量加大，转速也提高了。1916年卡普兰又提出取消外轮环，并采用使叶片转动的机构，进一步提高过流量和平均效率。经过不断完善形成现代的轴流转桨式水轮机。从1750---,1880年间一百多年，水轮机从低级发展成比较完善的现代水轮机，这是社会生产发展和人类共同努力的结果，这个时期主要解决了加大水轮机的过流量和提高水轮机效率两方面的问题。现代水轮机发展的趋势是提高单机容量，比转速和应用水头。提高单机容量可以降低水轮机单位容量的造价。提高水轮机比转速可以增大

2、机组的过流能力，使水轮发电机体积小，重量轻，节省金属材料和制造工时，从而降低了成本，尤其对大容量的机组更有很大好处。在计算机还不发达的五、六十年代，水轮机的设计基础多为一元理论和二元理论方法。目前，国内水力机械行业在工程设计时，有时仍然采用这些方法，由圆柱层无关假设，使轴流式转轮的设计转换成平面直列叶栅来进行的。七十年代以后，水轮机内部的三维流动分析有了很大的发展，它已经成为了水轮机各过流部件水力设计和性能优化的重要辅助工具。随着技术的不断进步和客户要求的逐渐提高，对水轮机各方面综合性能的要求也越来越高，传统的设计方法越来越难以满足发展的需要，优化设计和三维反问题计算等先进的计算方

3、法越来越受到重视。水力机械转轮是水轮机的核心部件，转轮叶片的好坏直接决定了水轮机性能的好坏。转轮的设计大多采用二维或三维设计方法，实际上，水力机械转轮内部的流动是复杂的三维非定常粘性流动，各流面间流动相互作用相互影响，故而水力机械转轮设计的合理方法是全三维反问题计算方法。全三维反问题的计算方法主要包括奇点分布法、两类相对流面法、空间拟流函数法和三维非定常欧拉方程法等。在转轮叶片优化方面，有非常多的科研成果值得我们学习。刘虎【2J等人在全三维反问题计算与遗传算法的基础上，提出了一种轴流式水轮机转轮的设计方法，并结合小生境遗传算法对轴流式转轮叶片进行了优化，得到了更为理想的叶片。刘胜柱

4、【3】等人基于N．S方程和标准k．s紊流模型，模拟并分析了混流式水轮机活动导叶和转轮的匹配关系，通过对3种不同比转速水轮机的计算及分析，得出了导叶出流状况和转轮进口流动状况的一些规律。同年，他们【4】又在CFD数值模拟的基础上提出了叶片进出口边外延的改型方法，并通过数值实验证明了该方法的有效性。他【5】还提出了一种混流式水轮机流线改型方法，并且经过试验验证，该程序设计出的转轮性能优异，是一种理想的改型设计软件。陈铁161等人提出了一种轴流式叶轮机械叶片型线的设计方法，选用双三阶多项式曲线拟合叶型中弧线和叶型厚度，用12个参数来反映叶型中弧线和叶片厚度特征。设计者可以通过调整这12个

5、参数，得到光滑的叶型。第一章绪论赖喜德【_7】针对混流式转轮水力设计中的一些具体间题，综合参考气体透平机械和平面叶栅的优化设计方面的研究成果，结合混流式转轮的流动特点，建立了一套较为完整的混流式转轮叶片的优化设计数学模型，使混流式水轮机转轮叶片在回转流面上的叶型优化设计问题归结为非线性规划问题的最优化解。郑小波【8】等人采用流固耦合技术对轴流式叶片进行了振动特性分析。文章中分别计算叶片在空气中和水中的固有频率，比较了二者的差别，分析了叶片在水中的振型。结果表明，叶片在水中的各阶固有频率较其在空气中均有所降低。从上述文献中可以看出，对轴流式叶片的优化大多局限在提高转轮室的水力性能，并

6、没有将转轮出口处流场对尾水管内部流态的影响列入考虑的范围。而在工程应用领域，我们更多的是追求水轮机的整体性能最优，各过流部件本身的性能固然是重要的一方面，但是各过流部件的匹配同样是不可忽视的一部分。因此单单提升转轮室的效率显然不能满足实际的需要。随着国民经济发展和科学技术的进步，水电站单机容量愈来愈大。挖掘机组段内部潜力，包括减少尾水管水能损失，提高尾水管回收效率愈来愈被人们所重视。尾水管断面呈现扩散的几何形状特性，弯肘型尾水管内部主流方向要发生90。的转向，这些决定了尾水管来流为旋流、负压梯度的特点，并且在某些运行工况下，流场内部会出现严重的二次流。这些复杂的流动特性给尾水管设计

7、造成了十分大的困难，也给数值模拟提出了相当大的挑战。在尾水管研究方面，许多科研工作者付出了艰辛的努力。1999年在瑞典召开了水轮机尾水管专题国际研讨会，使人们更为清楚地认识到了尾水管的内部流场的复杂性【l¨。这种复杂性涉及很多方面，如水轮机转轮出口流态的不稳定，尾水管几何形状的复杂性，有粘流动数值计算的困难程度等。研讨会取得的成果对于CFD技术的发展及其在尾水管内部流场数值模拟计算方面的应用起到了有益的作用，也说明了更加深入的研究对于尾水管的设计优化和性能预测具有非常