混流式水輪機(jī)

混流式水輪機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，主要部件包括蝸殼、座環(huán)、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、頂蓋、轉(zhuǎn)輪、主軸、導(dǎo)軸承(見水輪機(jī)導(dǎo)軸承)、底環(huán)、尾水管等，見圖1，圖中同時標(biāo)示出水流流向。蝸殼是引水部件，形似蝸牛殼體，一般為金屬材料制成，圓形斷面。座環(huán)置于蝸殼和導(dǎo)葉之間，由上環(huán)、下環(huán)和若干立柱組成，與蝸殼直接連接;立柱呈翼形，不能轉(zhuǎn)動，亦稱為固定導(dǎo)葉。導(dǎo)水機(jī)構(gòu)由活動導(dǎo)葉、調(diào)速環(huán)、拐臂、連桿等部件組成。轉(zhuǎn)輪與主軸(見水輪機(jī)主軸)直接連接，是該類型水輪機(jī)的轉(zhuǎn)動部件，轉(zhuǎn)輪由上冠、下環(huán)、泄水錐和若干固定式葉片組成，其外形和各組成部分的配合尺寸根據(jù)其使用的水頭不同而有所不同。尾水管是將轉(zhuǎn)輪出口的水流引向下游的水輪機(jī)泄水部件，一般為彎肘形，小型水輪機(jī)常用直錐形尾水管 。

混流式水輪機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，效率較高，能適應(yīng)很寬的水頭范圍，是目前世界各國廣泛采用的水輪機(jī)型式之一。當(dāng)水流經(jīng)過這種水輪機(jī)工作輪時，它以輻向進(jìn)入、軸向流出 ，所以也稱為輻向軸流式水輪機(jī)。

它適用于水頭自20米直到700米的范圍內(nèi)，機(jī)構(gòu)簡單，運行穩(wěn)定，并且效率高，但它一般是用在中水頭范圍內(nèi)（50米至400米）。單機(jī)出力從幾十千瓦到幾十萬千瓦。目前這種水輪機(jī)最大出力已經(jīng)超過70萬千瓦。是一種運用最廣泛的一種水輪機(jī)。我國單機(jī)容量700兆瓦機(jī)組在三峽投入運行，向家壩采用800兆瓦混流式機(jī)組 。

2016年4月25日，《1000MW級混流式水輪機(jī)技術(shù)導(dǎo)則》發(fā)布。

2016年11月1日，《1000MW級混流式水輪機(jī)技術(shù)導(dǎo)則》實施。

前言

第1章 緒論 1

1.1 混流式水輪機(jī)概述 1

1.2 混流式水輪機(jī)的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀 1

1.2.1 應(yīng)用現(xiàn)狀 1

1.2.2 研究現(xiàn)狀 2

1.3 水輪機(jī)數(shù)值模擬 11

第2章 數(shù)值模擬計算理論 14

2.1 計算流體動力學(xué)概述 14

2.2 流體流動控制方程 15

2.2.1 連續(xù)方程 15

2.2.2 動量方程 16

2.2.3 能量方程 17

2.3 湍流模型 18

2.3.1 標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型 18

2.3.2 重整化群k-ε模型 19

2.3.3 剪切壓力傳輸模型 19

2.4 有限元理論 19

2.5 模態(tài)分析理論 20

2.6 流固耦合數(shù)學(xué)模型 21

2.7 尾水管渦帶基礎(chǔ)理論 21

2.8 固液兩相流控制方程 22

2.9 飛逸工況控制方程 22

2.10 空化性能預(yù)估方程 23

2.11 本章小結(jié) 24

第3章 HL160-LJ-25型水輪機(jī)內(nèi)部流動數(shù)值分析與葉片優(yōu)化 25

3.1 基本參數(shù) 25

3.2 過流部件幾何模型的建立 25

3.3 計算域網(wǎng)格劃分 27

3.3.1 網(wǎng)格劃分方法 27

3.3.2 網(wǎng)格劃分過程 28

3.3.3 網(wǎng)格質(zhì)量檢查及提高 29

3.3.4 流動計算域網(wǎng)格模型 30

3.4 內(nèi)部流動數(shù)值計算與分析 32

3.4.1 內(nèi)部流動數(shù)值計算概述 32

3.4.2 內(nèi)部流動數(shù)值計算 32

3.4.3 全流道計算結(jié)果分析 34

3.5 轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)靜力分析 46

3.5.1 網(wǎng)格劃分與載荷施加 46

3.5.2 靜力計算及分析 48

3.6 轉(zhuǎn)輪葉片的優(yōu)化 51

3.6.1 設(shè)計工況下葉片的水力特性優(yōu)化 51

3.6.2 葉片的適應(yīng)性計算 52

3.6.3 水輪機(jī)的能量性能計算 54

3.7 本章小結(jié) 57

第4章 基于雙向流固耦合的HL259型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪特性分析 58

4.1 全流道模型的建立及網(wǎng)格劃分 58

4.1.1 轉(zhuǎn)輪域模型 58

4.1.2 蝸殼流體域建模及網(wǎng)格劃分 60

4.1.3 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)模型建立與網(wǎng)格劃分 62

4.1.4 尾水管流體域建模 63

4.1.5 水輪機(jī)內(nèi)部流體各計算域及其網(wǎng)格 64

4.2 轉(zhuǎn)輪特性數(shù)值分析的兩種計算方法 65

4.2.1 兩種數(shù)值算法簡介 65

4.2.2 流固耦合數(shù)據(jù)傳遞模型的建立 65

4.2.3 非定常流場模擬及流固耦合計算 66

4.2.4 采用兩種數(shù)值模擬方法計算轉(zhuǎn)輪特性的結(jié)果分析 69

4.3 基于雙向流固耦合算法的轉(zhuǎn)輪特性分析 71

4.3.1 流場分布情況分析 71

4.3.2 轉(zhuǎn)輪葉片力學(xué)特性分析 74

4.3.3 兩種數(shù)值計算方法的轉(zhuǎn)矩比較與分析 79

4.4 本章小結(jié) 79

第5章 HL240型水輪機(jī)固液兩相流動與飛逸工況特性分析 81

5.1 模型建立 81

5.1.1 建立三維實體模型 81

5.1.2 網(wǎng)格劃分 83

5.2 固液兩相流動模擬與磨損預(yù)估 85

5.2.1 固液兩相流模擬計算 85

5.2.2 能量特性分析 86

5.2.3 過流部件磨損分析 88

5.3 飛逸工況特性分析 95

5.3.1 飛逸工況模擬實驗 95

5.3.2 轉(zhuǎn)輪葉片特性分析 96

5.3.3 尾水管動力特性分析 102

5.4 本章小結(jié) 106

第6章 HLA520型水輪機(jī)長短葉片轉(zhuǎn)輪性能分析 107

6.1 模型建立與網(wǎng)格劃分 107

6.1.1 基本設(shè)計參數(shù) 107

6.1.2 計算域模型 107

6.2 能量特性計算與分析 113

6.2.1 數(shù)值計算 113

6.2.2 能量特性分析 114

6.3 空化特性分析 125

6.3.1 空化現(xiàn)象概述 125

6.3.2 水輪機(jī)中空化類型 125

6.3.3 水輪機(jī)中空化的危害 126

6.3.4 空化和空蝕性能分析 126

6.4 本章小結(jié) 135

參考文獻(xiàn) 136 2100433B

大型乃至巨型水輪機(jī)組，其尾水管引起的水力振動對其穩(wěn)定性影響越來越大，但對其內(nèi)部的運動規(guī)律，尤其是在非穩(wěn)態(tài)工況下，水輪機(jī)尾水管渦帶、壓力脈動等水力現(xiàn)象及其誘發(fā)機(jī)組的振動機(jī)理還有許多不明確處，因此，對大型混流式水輪機(jī)尾水管水力振動進(jìn)行研究成為目前亟待解決的迫切問題。 本項目通過開展大型混流式水輪機(jī)組不同工況下尾水管水力振動試驗及對水輪機(jī)內(nèi)部進(jìn)行非定常并行數(shù)值模擬等研究手段對大型混流式水輪機(jī)瞬態(tài)過程現(xiàn)象進(jìn)行深入分析研究，并得到以下成果： (1)推導(dǎo)建立了具有角加速度的旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)系下的控制方程，結(jié)合轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)平衡方程，給出了相應(yīng)新的源項形式。構(gòu)建了混流式水輪機(jī)三維非穩(wěn)態(tài)湍流數(shù)值模擬的程序算法。 (2)通過對水輪機(jī)以尾水管渦帶運動的分析，認(rèn)為其運動的主體為螺旋渦管運動，其影響范圍隨工況的不同而不同。且旋渦在演化過程中，其渦核位置隨機(jī)變化，但最終穩(wěn)定在一個特定位置。且尾水管內(nèi)旋渦能量集中區(qū)域，高渦量區(qū)主要存在于靠近壁面半徑的前1/3處，并且隨時間變化圍繞橫截面中心運動。 (3)進(jìn)行了模型水輪機(jī)的壓力脈動試驗。結(jié)果表明：保持水頭、單位轉(zhuǎn)速一定，只改變導(dǎo)葉開度，壓力脈動幅值隨導(dǎo)葉開度的增大而減小。實測的3種開度工況下，壓力脈動成分均含渦帶頻率、旋轉(zhuǎn)頻率及倍頻。當(dāng)保持水頭、開度等一定，而只改變單位轉(zhuǎn)速條件下，壓力脈動相對幅值隨單位轉(zhuǎn)速的減小而減小，壓力脈動成分只以旋轉(zhuǎn)頻率和其倍頻為主，實測的數(shù)據(jù)與理論吻合較好。 (4)設(shè)計出1種含有渦流發(fā)生器的新型試驗尾水管，對渦流發(fā)生器的機(jī)理進(jìn)行一定的研究。運用壁面函數(shù)法建立全流道結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，用SST模型對其進(jìn)行數(shù)值計算，分別以渦產(chǎn)生截面和渦開始發(fā)展截面作為渦流發(fā)生器葉片的安裝截面，計算出尾水管各工況下的能量恢復(fù)系數(shù)，找出了渦流發(fā)生器的最優(yōu)安裝方法． 同時，本項目成果榮獲大禹水利科學(xué)技術(shù)獎二等獎一項，發(fā)表SCI、EI論文5篇，其它學(xué)術(shù)論文共13篇 ，申請專利5項，指導(dǎo)博士后1名，博士2名，碩士3名。成果推廣后，社會經(jīng)濟(jì)效益顯著。