30米水头段混流式水轮机水力模型开发方案研究

摘要

计算流体动力学分析--CFD数值模拟计算技术能较准确地获得水轮机内部流场分布及过流部件内部流动状态信息，为研究水轮机水力模型的水力性能与稳定性提供理论依据。
　　 在低水头段水轮机的设计中，由于中高比转速混流式水轮机具有效率较高、高效区宽、结构紧凑、运行稳定等优势，备受中小水电站青睐。本课题针对30米水头段的混流式水轮机进行了设计与优化，运用CFD流场仿真技术对混流式水轮机的内部流动情况进行分析研究，最终开发出一个性能优良的混流式水轮机的水力模型方案。
　　 本文主要的研究工作和创新性成果如下：
　　 1、参照水头段和比转速相近、性能优良的HL240水力模型全流道的几何参数，采用ω=0的二元理论设计方法，设计出适合于28m-35m水头段混流式水轮机转轮；
　　 2、借助Pro/E三维造型软件对已设计出的中高比转速HL280水轮机水力模型初始方案进行全流道三维造型，并用ICEM软件进行了全流道网格划分，为提高过流部件内部流动CFD数值模拟精度及其性能预测的准确性奠定呵靠的基础；
　　 3、针对水轮机蜗壳常规水力设计方法中存在的不足，合理划分水轮机蜗壳内的水力损失，建立水轮机蜗壳内的水力损失计算模型，采用以沿水轮机蜗壳周向断面的速度矩分布规律为设计变量的水轮机蜗壳的设计方法，对水轮机蜗壳进行了优化设计，达到减小水力损失，提高水轮机蜗壳水力性能的目的；
　　 4、通过对中高比转速混流式水轮机活动导叶的翼型(正曲率导叶、负曲率导叶、对称导叶)及同一翼型的活动导叶与固定导叶的不同周向相对位置分别进行了数值模拟，并将其对水轮机流场分布与效率的影响进行了分析。得出对于本课题研究的中高比转速混流式水轮机，正曲率导叶能够较好的满足转轮对来流的条件要求；活动导叶与固定导叶相对位置也对流场和机组的性能有一定影响，并给出了两者的最佳匹配的关系式；
　　 5、采用CFD流场仿真软件对运行中的典型工况(大流量工况、设计工况和小流量工况)共25个计算工况点的运行状况进行了数值模拟，并以模拟结果获得的流场信息为依据，对转轮叶栅与翼型和其他过流部件进行修型和调整。并预估了其水力性能，基本上都达到了设计要求和预期效果。