混流式水轮机转轮间隙流动特性与工况的关系

摘要

混流式水轮机转轮上冠和顶盖之间存在一个空腔，水轮机在工作过程中有一部分水流会通过转轮上冠的密封间隙，泄漏进入该空腔内。该部分泄漏水不仅造成了水轮机的容积损失，还会对转轮产生一个沿着水轮机主轴作用向下的轴向水推力。随着水轮机单机容量和转轮直径的不断增大，大型混流式水轮机，因上冠的承压面积较大，泄漏水压力较高，产生的较大轴向水推力对机组的稳定运行产生不良影响，会导致推力瓦烧瓦等事故，严重的会制约水轮机推力轴承的设计。由于转轮上冠流道内部流动特性与结构密切相关，采用传统的经验方法很难对其进行可靠的分析和计算，因而水轮机上冠泄水减压结构的设计是目前业内十分关注的研究课题。
　　随着 CFD数值模拟分析技术在叶轮机械内流模拟的应用日益广泛和成熟，数值模拟分析方法已经成为研究叶轮机械间隙流动的重要方法。本文以东方电机公司提供的古里水电站水轮机泄水减压结构的研究课题为基础，采取数值模拟分析的方法主要完成了以下三个方面的研究工作。
　　古里水电站水轮机在上冠泄水减压结构中设计了两个方案。本课题首先针对两种上冠泄水减压结构的内部流动进行了数值模拟分析，对比研究上冠间隙相对泄漏量、轴向水推力之间的差异，在保证水轮机容积损失在设计范围内的情况下，研究选取轴向水推力较小的方案作为推荐方案。
　　其次，本文还以古里水电站的真机方案作为原型方案，验证了水轮机设置减压板的必要性，研究在上冠空腔内不同的减压板布置位置对水轮机上冠间隙相对泄漏量和轴向水推力的影响。
　　最后，针对水轮机长时间运行后受到水流冲击和泥沙磨损等影响导致密封间隙尺寸增大的问题。本文以古里水电站的真机方案为原型方案，设计五个渐变的转轮间隙尺寸方案进行对比分析，研究转轮间隙尺寸对上冠间隙相对泄漏量和轴向水推力的影响，为日后水轮机的稳定运行和维护提供理论依据。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题研究的目的及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 课题的工程要求

1.4 课题的主要研究内容和难点

2 转轮上冠流道内部流动数值模拟分析

2.1 转轮受力分析及水推力计算方法

2.2 数值模拟分析方法原理概述

2.3 计算域几何模型的建立

2.4 计算域网格模型的划分

2.5 数值模拟的求解过程

2.6 小结

3 两种转轮间隙结构方案的对比与分析

3.1 两种方案的内部流动对比与方法概述

3.2 转轮上冠轴向水推力对比分析

3.3 转轮上冠间隙泄漏量对比分析

3.4小结

4 减压板上下腔尺度比对上冠流道内部流动的影响分析

4.1 减压板减压作用的验证

4.2 减压板上下腔尺度比的确定

4.3 减压板上下腔尺度比对上冠轴向水推力的影响

4.4 减压板上下腔尺度比对上冠间隙泄漏量的影响

4.5 小结

5 转轮上冠间隙尺寸对上冠流道内部流动特性的影响分析

5.1 上冠间隙尺寸的确定方法

5.2 上冠间隙尺寸对上冠轴向水推力的影响

5.3 上冠间隙尺寸对上冠间隙泄漏量的影响

5.4 小结

6 全文总结及展望

6.1 全文总结

6.2 后期展望

致谢

参考文献

附录1（攻读学位期间发表论文目录）

附录2（文中部分符号意义）