混流式水轮机顶盖取水及转轮上冠泵板工作特性研究

摘要

混流式水轮机顶盖取水作为水电站技术供水方式的一种正被逐渐推广应用。顶盖取水是将顶盖止漏环与转轮止漏环间不作功的泄漏水作为技术供水的水源，具有节能、清洁环保、安全可靠的特点。目前技术条件下的顶盖取水结构有带泵板和不带泵板两类，其结构设计会直接影响顶盖取水效果和机组运行安全。目前对顶盖取水系统结构的定量研究成果较少，设计过程中无可靠的理论依据，因此进行顶盖取水结构的工作特性研究具有重要的意义。
　　苗尾和黄登水电站均采用顶盖取水技术方案。本课题以两电站顶盖取水系统为研究对象，研究顶盖取水结构对技术供水性能的影响，对多种顶盖取水结构模型进行三维建模，采用数值模拟的方法，对不同计算域划分网格，依据水电站的实际工况，选择合适的边界条件进行计算。由数值模拟结果，对比分析各顶盖取水结构方案的工作特性，进而获得性能最佳的水力模型方案。论文重点介绍了三个方面的研究工作。
　　首先，在已有的顶盖取水经验基础上，对径向布置泵板的顶盖取水结构和两种常见的不带泵板的顶盖取水结构进行CFD数值模拟计算分析。重点从顶盖取水口压力、上冠轴向水推力和泵板功耗三项指标入手，分析顶盖与上冠空腔中的内部流动，研究泵板在顶盖取水结构中的作用，以及带泵板和不带泵板顶盖取水结构的各自优缺点，进而为设计顶盖取水结构提供理论依据。
　　其次，本文根据苗尾和黄登水电站机组技术供水的需求，针对水轮机结构特点，先后在泵板倾斜角和泵板密封半径两方面研究了泵板结构对顶盖取水的影响，同样以顶盖取水口压力、上冠轴向水推力和泵板功耗为性能指标。对泵板倾斜的不同方案在若干工况下进行了流动特性分析。不同结构形式的泵板对顶盖取水口压力、上冠轴向水推力以及泵板功耗的影响不同，可以通过对比分析，探索出最有利于改善顶盖取水性能的泵板布置倾斜角；在此基础上，以设计单位提供的泵板密封设计半径R为比较依据，将泵板密封半径沿径向增大和减小，设置若干对照组，在相同工况下进行对比计算，找出泵板密封位置对顶盖取水性能的影响，为以后的顶盖取水结构设计打下基础。
　　再针对水轮机长时间运行后密封间隙增大的情况，本文按照间隙的原始尺寸、间隙宽度增加0.5mm和间隙宽度增加1mm三种情况进行数值分析，研究间隙宽度与泄漏量、作用于上冠的轴向水推力以及泵板功耗之间的关系，这对于水轮机后期运行的安全性和稳定性有十分重要的意义。

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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 本文研究的技术难点及主要内容

2 顶盖取水内部流动分析方法

2.1 转轮受力分析及泵板工作原理概述

2.2 几何模型的建立

2.3 计算域网格划分

2.4 数值模拟求解过程

2.5 小结

3 顶盖取水结构对泵板依赖性的对比与分析

3.1 数据处理策略

3.2 顶盖取水口压力分析

3.3 上冠轴向水推力分析

3.4 泵板的功率消耗分析

3.5 小结

4 泵板优化的可行性分析

4.1 数据处理策略

4.2 泵板斜置角度对比分析

4.3 泵板密封位置对比分析

4.4 小结

5 上冠间隙宽度对顶盖取水性能的影响

5.1 上冠间隙宽度对泄漏量的影响

5.2 上冠间隙宽度对上冠轴向水推力的影响

5.3 上冠间隙宽度对泵板功耗的影响

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（文中符号意义）