報告-軸向水推力計算

1、1 軸向水推力的計算電站運行工況參數(shù)如表1所示。工況轉(zhuǎn)速(RPM)流量(m3/s)水頭(m)蝸殼進口壓強(MPa)尾水管進口壓強(MPa)單機發(fā)額定出力(40MW) +最高水頭工況50014.69313.2303.08280.02484臺全發(fā)設(shè)計工況500162882.85750.0479單機發(fā)最大出力(45.8MW) +最高水頭工況50016.198312.4003.06380.01574臺超5%額定出力工況(42MW)50017.052852.81330.04254臺超10%額定出力工況(44MW)50018.32792.75890.03574臺全發(fā)最大出力(45.8MW)50018.32

2、792.75890.03574臺甩額定負荷蝸殼最大水壓對應(yīng)工況625.294.738375.4903.74360.06004臺甩額定負荷蝸殼最大轉(zhuǎn)速上升對應(yīng)工況671.013.622359.0163.60090.07904臺甩42MW蝸殼最大水壓對應(yīng)工況686.453.957374.3573.74830.07594臺甩42MW蝸殼最大轉(zhuǎn)速上升對應(yīng)工況690.853.711359.9573.61200.08084臺甩44MW蝸殼最大水壓對應(yīng)工況709.553.963375.42483.75990.07704臺甩44MW最大轉(zhuǎn)速上升對應(yīng)工況712.343.782357.5303.59060.083

3、24臺發(fā)額定出力,1G調(diào)頻模式其余3臺甩負荷5006.955338.73.4030.03344臺發(fā)42MW,1G調(diào)頻模式其余3臺甩負荷5007.35337.46943.33240.021824臺發(fā)44MW,1G調(diào)頻模式其余3臺甩負荷5008.381335.01473.29690.01038飛逸工況8019.001311.853.09020.0309表1圖 1 如圖1所示，混流可逆式水輪機轉(zhuǎn)輪軸向水推力Fw(方向向下為正)的構(gòu)成可描述1為：Fw=F1-F2-F3-F4F1=F11+F12+F13+F14F2=F21+F22+F23F3=F31+F32F4=F41+F42式中：F1轉(zhuǎn)輪上冠上表面所

4、受軸向水推力，向下為正；F2轉(zhuǎn)輪下環(huán)外表面所受軸向水推力，向上為正；F3轉(zhuǎn)輪進、出口所受軸向水推力，向上為正；F4轉(zhuǎn)輪內(nèi)腔流道表面所受軸向水推力及轉(zhuǎn)輪在水中浮力，向上為正；F11上止漏環(huán)外側(cè)高壓腔上冠上表面所受軸向水推力；F12上止漏環(huán)齒槽處上冠上表面所受軸向水推力；F13上止漏環(huán)內(nèi)側(cè)低壓腔上冠上表面所受軸向水推力；F14主軸密封腔內(nèi)法蘭盤上表面所受軸向水推力；F21下止漏環(huán)外側(cè)高壓腔下環(huán)外表面所受軸向水推力；F22下止漏環(huán)齒槽處下環(huán)外表面所受軸向水推力；F23下止漏環(huán)內(nèi)側(cè)低壓腔下環(huán)外表面所受軸向水推力；F31轉(zhuǎn)輪進口斷面所受軸向水推力；F32轉(zhuǎn)輪出口斷面所受軸向水推力；F41轉(zhuǎn)輪內(nèi)腔流道(包

5、括葉片)表面所受軸向水推力；F42轉(zhuǎn)輪在水中浮力。軸向水推力的計算采用兩種方法。F3和F4采用ANSYS CFX軟件數(shù)值模擬計算得到，而轉(zhuǎn)輪上冠和下環(huán)水體計算域由于尺寸太小，采用數(shù)值模擬方法無法準(zhǔn)確計算出結(jié)果，所以F1和F2采用解析計算方法得到。1.1 轉(zhuǎn)輪軸向水推力的解析計算(1) F11，F(xiàn)13，F(xiàn)14和F21，F(xiàn)23的求解轉(zhuǎn)輪上冠上表面或下環(huán)外表面所受軸向水推力的公式1如下：Fij=p0-2K0nr0302r22-r12+K0n302r24-r144式中：Fij所求軸向水推力(即F11，F(xiàn)13，F(xiàn)14和F21，F(xiàn)23)(N)；r0，p0已知點處的半徑(m)和靜壓力(Pa)；水的密度(kg

6、/m3)；n轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速(RPM)；r1，r2對應(yīng)腔體內(nèi)、邊界處的半徑(m)；K0圓周速度系數(shù)，一般取0.5。(2) F12和F22的求解轉(zhuǎn)輪上、下止漏環(huán)齒槽處的軸向水推力公式1如下：Fij=p1-p2-p1r2-r1r1r22-r12+23r23-r13p2-p1r2-r1式中：Fij所求軸向水推力(即F12，F(xiàn)22)(N)；r1，r2上、下止漏環(huán)內(nèi)外側(cè)的半徑(m)；p1、p2上、下止漏環(huán)內(nèi)外側(cè)的靜壓力(Pa)。1.2 轉(zhuǎn)輪軸向水推力的數(shù)值模擬計算水輪機的計算區(qū)域由蝸殼、固定導(dǎo)葉、活動導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪和尾水管等組成。三維建模軟件采用Siemens PLM Software公司出品的UG NX 8.0，

7、為更接近真實流場的邊界條件，建模時對蝸殼進口和尾水管出口作適當(dāng)延伸。全流道三維實體模型如圖2所示。圖2模型網(wǎng)格劃分采用適應(yīng)性非常強的非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格。為保證計算精度，對流動梯度較大的區(qū)域作了網(wǎng)格加密處理。由于不同的工況對應(yīng)不同的導(dǎo)葉開度，因此每一個工況都要重新對活動導(dǎo)葉建模并劃分網(wǎng)格。導(dǎo)葉開度及對應(yīng)的網(wǎng)格節(jié)點數(shù)和單元數(shù)如表2所示。工況活動導(dǎo)葉開度(mm)網(wǎng)格節(jié)點數(shù)網(wǎng)格單元數(shù)單機發(fā)額定出力(40MW) +最高水頭工況71.58349414臺全發(fā)設(shè)計工況83.4797467單機發(fā)最大出力(45.8MW) +最高水頭工況79.38349844臺超5%額定出力工況(42MW)89.78350184臺

8、超10%額定出力工況(44MW)97.98349274臺全發(fā)最大出力(45.8MW)97.98349274臺甩額定負荷蝸殼最大水壓對應(yīng)工況54.27974834臺甩額定負荷蝸殼最大轉(zhuǎn)速上升對應(yīng)工況24.18347894臺甩42MW蝸殼最大水壓對應(yīng)工況34.18347644臺甩42MW蝸殼最大轉(zhuǎn)速上升對應(yīng)工況25.78349594臺甩44MW蝸殼最大水壓對應(yīng)工況34.38347644臺甩44MW蝸殼最大轉(zhuǎn)速上升對應(yīng)工況28.38348494臺發(fā)額定出力,1G調(diào)頻模式其余3臺甩負荷83.67974674臺發(fā)42MW,1G調(diào)頻模式其余3臺甩負荷90.58349614臺發(fā)44MW,1G調(diào)頻模式其余3臺

9、甩負荷98.5835060飛逸工況110834956表2計算基于CFD數(shù)值模擬方法，采用SIMPLE算法求解不可壓縮流體的時均NS方程。湍流模型選取RNG k-模型。邊界條件采用質(zhì)量流量進口(無質(zhì)量流量數(shù)據(jù)的采用壓力進口)，壓力出口。流體內(nèi)近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法處理，壁面采用無滑移邊界條件。轉(zhuǎn)輪與活動導(dǎo)葉、尾水管之間的動靜耦合交界面采用frozen-rotor處理。CFX-Pre示意圖如圖3所示。圖 3CFD-Post示意圖如圖4所示。圖4軸向水推力計算結(jié)果如表3所示。工況F1(N)F2(N)F3(N)F4(N)FW(N)單機發(fā)額定出力(40MW) +最高水頭工況175292093034臺全

10、發(fā)設(shè)計工機發(fā)最大出力(45.8MW) +最高水頭工況146461453624臺超5%額定出力工況(42MW)134542541184臺超10%額定出力工況(44MW)190801846184臺全發(fā)最大出力(45.8MW)190801846184臺甩額定負荷蝸殼最大水壓對應(yīng)工況26364734179910834臺甩額定負荷蝸殼最大轉(zhuǎn)速上升對應(yīng)工況30959306304臺甩42MW蝸殼最大水壓對應(yīng)工況31828838714臺甩42MW蝸殼最大轉(zhuǎn)速上升對應(yīng)工況31594591644臺甩44MW蝸殼最大水壓對應(yīng)工況32431682794臺甩44MW最大轉(zhuǎn)速上升對應(yīng)工況34062225284臺發(fā)額定出力,1G調(diào)頻模式其余3臺甩負荷8047752037085944臺發(fā)42MW,1G