基于CFD的四叶片贯流式水轮机增容改造研究

摘要

本文针对部分老旧水电站出现的出力不足的现象，以某四叶片灯泡贯流式模型水轮机为研宄对象，利用全流道定常数值模拟来分析轮毂比的改变对灯泡贯流式水轮机能量性能的影响,并通过非定常计算来得到流道内稳定性的改变情况，从而验证了轮毂比的改变能达到灯泡贯流式水轮机的增容改造效果，这一研究具有实际工程意义。本文的主要结论为以下几个方面： 首先，对5种轮毂比方案的水轮机进行了全流道定常数值模拟，分析了3种工况下水轮机的能量性能变化情况，研究结果表明：随着轮毂比的减小，水轮机流量增大，从而过流能力增强，而水轮机效率逐渐降低。轮毂比减小至0.33时出力最大，再减小轮毂比会导致水轮机出力的下降。同一工况下，轮毂比越小，活动导叶受力面靠近尾部区域的水流流态得到改善。而轮毂比在一定范围内减小时，能够改善叶片受力面的压力分布梯度并减轻吸力面低压空化面积，提升了桨叶能量转换的效率。此外，当轮毂比极小时，尾水管中会出现明显的回流，特别是在小流量工况下，会伴随着涡带的产生。接着，初步分析得出轮毂比的减小会减轻因卡门涡引起的绕流部件产生共振的可能性，为延长过流部件的疲劳寿命提供了有利条件。 其次，对轮毂比0.38与轮毂比0.33方案进行了全流道非定常数值模拟，分析了两种工况下水轮机流道内稳定性的变化情况。研究结果表明：转轮区压力脉动受轮毂比和流量的影响，两种方案转轮区各监测点的压力脉动幅值主频都为16倍转频，但当轮毂比在一定范围减小时，监测点的压力脉动幅值也会随之减小，并能够改善次频成分的复杂性。此外，轮毂比与流量的改变会对尾水管内部流动产生影响，当流量减小时会引起尾水管回流与涡带的出现。除最优工况下轮毂比0.38方案外，其余各工况各方案压力脉动频率均主要由0.3fn与16fn组成，但是当流量减小时，低频压力脉动的幅值大大增加并超过原来的主频代替其成为新的主频。在小流量工况下，轮毂比0.33方案尾水管各监测点的压力脉动幅值比轮毂比0.38方案更小，且压力脉动频率成分的复杂性得到一定改善。 最后，综合分析比较可以得出轮毂比0.33方案为最优方案，其在满足一定水力参数以及稳定性的前提下可以达到该四叶片贯流式水轮机增容改造的目标。

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