水轮机椭圆蜗壳设计的CFD计算及试验分析.pdf

《水轮机椭圆蜗壳设计的CFD计算及试验分析.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第３８卷第１期人民黄河Ｖｏｌ．３８，Ｎｏ．１２０１６年１月ＹＥＬＬＯＷＲＩＶＥＲＪａｎ．，２０１６【工程勘测设计】水轮机椭圆蜗壳设计的ＣＦＤ计算及试验分析王１１２３旭，李萍，陈荣盛，吴凡（１．电子科技大学成都学院，四川成都６１１７３１；２．中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都６１００００；３．哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨１５００４０）摘要：为优化水轮发电机组的出力性能，节约施工成本，提出了设计椭圆形截面蜗壳的思路。以一台混流式水轮机组的蜗壳为研究对象，建立了额定工况下圆形及１．１１．０、１．２１．０长短轴比的椭圆截面设计方案的计算模型，设置相同的条件进行ＣＦＤ流场

2、分析，优选出了流动性能合理的设计方案。模型试验结果显示，各测点的速度和压力仿真与试验数据相比较平均误差较小，蜗壳的试验效率基本满足要求。采用椭圆形状的蜗壳，有利于改善机组的出力性能。关键词：蜗壳；椭圆截面；ＣＦＤ分析；模型试验中图分类号：ＴＶ１３６文献标志码：Ａｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００１３７９．２０１６．０１．０２８水轮机蜗壳的良好水力性能是确保机组高效、稳蜗壳模型设计方案：①传统设计方案（方案１），即定运行的基础。因此，蜗壳流场特性分析是确保产品壳节的过流断面形状为圆形，并以原有已投入运行且合理化设计的关键。通常情况下，蜗壳设计的第一步型号相同的转轮机组圆形蜗壳截

3、面尺寸为依据，按照是选择合适的截面形状并计算尺寸。以混流式水轮机几何相似原则［４］进行缩放，确定圆形截面尺寸。②椭金属蜗壳为例，在４０～２００ｍ的水头范围，截面类型通圆截面设计方案，按照椭圆与对应圆形截面面积相等常选定为圆形［１－２］，原因在于圆形蜗壳流场内壁的压的原则［５］创建椭圆截面。椭圆长、短轴之比的确定并力分布均匀，水头损失较小，水流流动性能良好。而传无可遵循的准则，可选取若干组比值数据分别建立流统的椭圆蜗壳（通常指蜗壳尾部的近似椭圆区域）过场模型，通过ＣＦＤ分析对比进行优选。本文分别选取流表面不对称，以致水流状况欠佳。由文献［２］的分长、短轴比值为１．１１．０（方案２）和１．２

4、１．０（方案３）析结论可知，椭圆的长短轴之比越大，水头损失越大，的椭圆截面建立流场模型，展开数值计算。流态越差。然而从整机的优化设计角度而言，圆形蜗壳也存在一定的局限，如圆形蜗壳机组的控制尺寸较２蜗壳流场ＣＦＤ分析大，需要更大的厂房空间，工程投资较高；转轮安装空间受限，无法增加其直径，限制了机组出力的提高。相２．１条件的设定由于３个方案仅截面形状和尺寸不同，因此在数比之下，椭圆截面蜗壳可以适当增加转轮的安装空间，值计算阶段其条件设置是一致的。蜗壳内部流场特由此可以通过增大直径来提高机组出力，由文献［３］征［６－７］为不可压缩黏性流动，因此湍流模型可以采用可知，６ｍ水头的轴流式机组，转轮直

5、径仅增加４０ＲＮＧｋ－ε模型。流场模型的边界条件［８］为质量入口、ｍｍ，机组出力可以提高２３％。综上所述，在对整机水自由出流、固体壁面（因仿真基于蜗壳强度足够的前力性能影响不大的情况下，将蜗壳圆形截面变为椭圆形，再以ＣＦＤ分析和试验的手段测试出水力性能符合提，故忽略边壁的破坏和变形，选择无滑移边界）。网要求的长宽比，对减小控制尺寸、降低运行成本、增加格种类拟选择六面体结构化网格。机组出力具有重要意义。２．２计算结果分析以额定工况为例，经过数值计算，得到３个方案的１蜗壳模型设计方案蜗壳水流速度矢量及迹线、压力、等压面分布，其中３个方案的蜗壳水流速度矢量、压力分布见图１、图２。将某电站混流式水

6、轮机的金属蜗壳作为分析对象，机组的部分参数见表１。收稿日期：２０１５０１２９表１机组部分参数基金项目：四川省教育厅自然科学项目（１４ＺＢ０３８５）。额定出力／额定水额定流量／转轮直蜗壳截包角／截面夹作者简介：王旭（１９８２—），男，四川成都人，讲师，硕士，主ＭＷ头／ｍ（３－１径／ｍ面数（°）角／（°）ｍ·ｓ）要从事流体机械数值计算方面的研究和教学工作。７１８０４．３１．３８２１３４５１５Ｅｍａｉｌ：３４１０６８３１＠ｑｑ．ｃｏｍ·１０９·人民黄河２０１６年第１期图１蜗壳水流速度矢量（单位：ｍ／ｓ）图２蜗壳水流压力分布（单位：ｋＰａ）（１）速度分布。方案１和方案２从蜗壳入口到出１．１１．

7、０时（方案２），其速度、压力分布规律基本满足口截面，水流流态较为均匀，且流速呈递增的变化规要求，水头损失与圆形截面蜗壳相比偏差不大，蜗壳的律，在出口端，速度环量圆周向对称。方案２速度降比效率基本能够保证在９８％以上。然而，当椭圆截面的方案１略大。在鼻端处，方案２有轻微脱流现象，该问长短轴之比超过该数值时，水流流态性能则出现明显题在实际生产中，只需要对特殊固定导叶的型线做小下降。由此可见，该机组蜗壳截面可以选择长短轴比范围