长短叶片混流式水轮机的数值模拟与性能分析

摘要

水轮机作为水电站的核心部件，对水电站的整体性能起着决定性的作用，水轮机技术的研究一直伴随着水电的开发在不断地发展。但是，国内外的不少水电站也因一些尚未解决的技术问题导致机组出现异常甚至过流部件的损坏，因此，还是存在着困扰水轮机安全高效稳定运行的一些技术难题亟待解决。另外，随着机组容量和尺寸的逐步增大，水轮机比转速不断提高，人们对于混流式水轮机的运行稳定性日益重视，这使得进行水轮机内部流动的模拟分析十分必要。总之，开展水轮机过流部件内部的定常及非定常流动分析对于深入了解水轮机振动的内在机理、改善水轮机的综合水力性能、提高水轮发电机组的运行稳定性具有十分重要的意义。
　　 近年来，随着制造水平的提高和抗磨蚀材料的应用，我国高水头混流式水轮机运用较多，但是高水头混流式常规水轮机的流道内部流速较高，易导致严重的空蚀磨损，且在非设计工况转轮进口产生的二次流及固定、旋转部件相互作用均能诱使机组产生强烈振动及压力脉动现象。长短叶片转轮能够有效的解决这些问题，由于长短叶片转轮具备较宽的高效率区、优良的稳定性和抗空蚀性能，得到了较普遍的认可。
　　 本研究以一个具体水电站的长短叶片转轮的水轮机为参考，建立了该水轮机的全流道几何模型，并应用CFD软件对其内部流动进行了数值模拟，通过计算结果对水轮机内部流动情况及性能进行了分析。
　　 本研究具体完成的工作内容如下：
　　 一、根据所选水电站的实际水力参数，对水轮机引水部件、导水机构、转轮和尾水管进行了三维几何模型。并将建好的水轮机的三维模型导入Gambit软件中，对过流部件依次进行网格划分；
　　 二、研究了利用Fluent软件对水轮机各主要部件的边界设定、参数选择、求解计算等一系列软件应用的关键步骤。将已经做好的网格文件导入软件后设置边界条件并进行计算；
　　 三、对求解收敛的结果进行后处理，得到了各个计算流体区域的压力等值线分布和速度矢量分布，分析流体流动状态、速度分布和压力变化；
　　 四、通过对比和分析水轮机内部流动特征，获取水轮机各过流部件的流动信息，在定量和定性两个方面评价水轮机的性能。