重力场对灯泡贯流式水轮机流场分析及水力性能评估的影响

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1、水利学报年月第卷第期文章编号重力场对灯泡贯流式水轮机流场分析及水力性能评估的影响刘延泽常近时中国农业大学水利与土木工程学院北京摘要本文采用黏性三维湍流流动分析法通过软件分析了重力场对灯泡贯流式水轮机流场分析和水力性能预估的影响计算中考虑了在不同的水头与转轮直径比的情况下重力场的影响程度计算结果表明考虑重力后水轮机进口断面的平均速度流量和功率都比不考虑重力时大但效率相差不大由于重力作用在竖直于机组轴线方向上的压力分布不均匀叶片上作用有交变应力当水头与转轮直径的比值超过时重力的影响可以忽略关键词重力灯泡贯流式水轮机流场水力性能预估中图分类号文献标识码在一般水电

2、站中由于工作水头远大于水轮机转轮直径且机组多为垂直布置因此作为质量力场的重力场对水轮机中的流动影响差别甚小在流场分析时可忽略不计但是对于横轴或斜轴布置的大尺寸灯泡贯流式水轮机由于转轮直径大水头低即较小转轮顶部最高处到底部最低处的垂直距离即转轮直径很大在大多数情况下表征贯流式水轮机模型与真机重力相似的佛汝德数是不同的此时真机转轮上空化区域的分布和发展与模型试验观测到的结果就不同等在研究大型灯泡式水轮机气蚀特性时发现模型空化能够发展到整个转轮从顶部到底部但是真机的空化可能仅仅只在转轮顶部区域发展前人的研究结果表明对于大型灯泡式水轮机由于直径很大在空化发展中可断

3、定有重力的影响重力使与转轮轴线相垂直的方向上的压力分布和速度分布不均匀近年来有通过三维流动分析的方法来预估大型灯泡式水轮机中流场的分布情况本文将采用黏性三维湍流流动分析的方法来研究重力因素对灯泡式水轮机流场分析主要是转轮垂直距离方向的压力分布情况和水力性能评估的影响基本方程计算域及计算工况本文采用的三维湍流软件对贯流式水轮机中流场进行计算基本方程由稳定的时均方程和湍流模化方程组成在静止坐标系中稳定的方程为式中为流体的密度为流体的动力黏性系数为流体的速度分量为压力为单位质量力收稿日期作者简介刘延泽男吉林人博士生主要从事水力机械研究在计算水轮机叶轮内部流场时常

4、采用与叶轮等速同向旋转的参照坐标系在以固定角速度绕轴旋转的相对直角坐标系中方程形式变为式中对应于各相对速度为相对坐标系中的单位质量力标准模型表示湍动耗散率的被定义为标准双方程模型中和是两个基本未知量与之相对应的输运方程为式中为常数可由推荐值及试验验证得到为湍流涡团黏性系数为由于平均速度梯度引起的湍动能的产生项其中在静止坐标系下的方程中取用质量力与两种情况分别对灯泡贯流式水轮机流场进行计算和分析以揭示重力场的影响图灯泡贯流式水轮机装置本文所取的计算域为从灯泡贯流式水轮机的灯泡体进口至出口闸门处的全流道包括泡体支柱导叶转轮体桨叶及尾水管灯泡贯流式水轮机装置如图

5、所示在本文中计算工况是以桨叶开度与导叶开度表示的例如表示桨叶开度为导叶开度为的计算工况在下文中对所用的计算工况均采用这种方式表示重力场对灯泡贯流式水轮机流场的影响本文选取工况进行计算该计算工况的在考虑重力和未考虑重力两种情况下分别计算分析重力场对灯泡贯流式水轮机流速和压力分布的影响重力场对流速分布的影响为了研究重力场对灯泡贯流式水轮机流速的影响在进口断面上从上到下依次取个点这个点的坐标值都为重力方向上的坐标值即值不同在考虑重力和不考虑重力两种情况下分别计算出这些点的速度表列出了进口断面上的速度值表进口断面上的速度值计算点的坐标值不考虑重力的速度考虑重力的速

6、度从表中可以看出考虑重力后绝大部分计算点的速度比不考虑重力时要大从而影响了灯泡贯流式水轮机进口的平均速度不考虑重力时进口断面的平均速度为考虑重力后进口断面的平均速度为平均速度的增大导致了水轮机流量的增加本文在后面分析重力对灯泡贯流式水轮机流量的影响时也得出了相同的结果重力场对压力分布的影响研究灯泡贯流式水轮机中的压力分布是十分重要的尤其是导叶进口断面上的压力分布该断面上的压力分布规律对计算甩负荷过渡过程中压力管道的压力变化规律以及强度计算结果都有重要意义图和图分别示出了在未考虑重力和考虑重力两种情况下灯泡贯流式水轮机进口和导叶进口断面上的压力分布规律图进口

7、断面上的压力分布单位图导叶进口断面上的压力分布单位通过对比发现在未考虑重力的情况下两个断面上的压力分布是均匀的图中的压力值为考虑重力后两个断面上的压力都出现了梯度变化压力从上到下依次增大水轮机进口断面最顶端的表压力为最底端的表压力为二者相差该差值约等于水轮机进口断面处的垂直距离导叶进口断面最顶端的表压力为最底端的表压力为二者相差该差值与导叶进口断面的垂直距离大致相等因此考虑重力后灯泡贯流式水轮机进口断面和导叶进口断面的最顶端与最底端的压力差值与垂直方向上的距离相等机组尺寸越大压力差越大这将对机组的甩负荷过渡过程产生影响考虑重力后导叶进口断面上最底端的瞬态压

8、力最大因此在该处最危险应保证最底端的最大压力升高值不超过调节保证计