超低水面豎井貫流式水輪機(jī)性能研究

超低水面豎井貫流式水輪機(jī)性能研究

中國低水面水資源豐富。這些資源通常位于河流下游的經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)。由于其高效能源轉(zhuǎn)化率、高流量、短期建設(shè)等優(yōu)點(diǎn)，通流式水庫處理廠具有良好的利用能力、低洪水流量和高潮汐能源的類型。常規(guī)貫流式機(jī)組最低水頭大多在4m以上,設(shè)計(jì)流量大于20m3/s,效率一般達(dá)到87%,最高效率為90%.通過我國近20多年對(duì)貫流式電站的開發(fā)情況可見,燈泡貫流式水輪機(jī)適用于水頭范圍為5～25m的電站.但對(duì)于超低水頭(Hcp≤3m)的電站,若采用燈泡貫流式機(jī)組,在經(jīng)濟(jì)上不合算,而采用豎井貫流式水輪機(jī)代替燈泡貫流式水輪機(jī)將是未來的發(fā)展趨勢(shì).豎井貫流式水輪機(jī)組是適用于低水頭、大流量的結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便的機(jī)型.其主要出發(fā)點(diǎn)是在基本不改變流道斷面的前提下,解決水輪機(jī)轉(zhuǎn)速較低的問題,它克服了軸伸貫流機(jī)組改變流道斷面從而影響水力性能等問題.它的特征是發(fā)電機(jī)安裝在一個(gè)外形類似燈泡、又兼作流道部件的由金屬或混凝土制造的通常稱之為豎井的殼內(nèi).目前在我國,豎井貫流式電站很少,其主要原因是對(duì)豎井貫流式機(jī)組的流道設(shè)計(jì)、機(jī)組總體的結(jié)構(gòu)型式、增速用齒輪箱及雙調(diào)結(jié)構(gòu)的受油器布置等關(guān)鍵技術(shù)缺乏深入研究,致使這種結(jié)構(gòu)簡單,安裝、維護(hù)方便,水力性能優(yōu)良,造價(jià)低廉的豎井貫流式機(jī)組未能得到推廣使用.文中通過參數(shù)的選擇設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬優(yōu)化,開發(fā)一種超低水頭豎井貫流式水輪機(jī),以達(dá)到利用平原地區(qū)超低水頭資源的目的.1水輪機(jī)轉(zhuǎn)速n根據(jù)已給參數(shù),設(shè)計(jì)水頭Hd=2.1m,設(shè)計(jì)流量Qd=10m3/s;根據(jù)豎井貫流式水輪機(jī)的系列型譜,初定水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑D1=1.75m.單位轉(zhuǎn)速n11的取值,根據(jù)電站單機(jī)運(yùn)行最高水頭、設(shè)計(jì)水頭、最低允許運(yùn)行水頭及原有水輪機(jī)模型曲線確定.水輪機(jī)正常運(yùn)行范圍應(yīng)覆蓋模型曲線上的高效率區(qū).經(jīng)比較計(jì)算,水輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速n取為137r/min.圖1為水輪機(jī)全流道三維示意圖,包括進(jìn)水流道、導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪和出水流道.2數(shù)值模擬方法2.1er-st對(duì)航空領(lǐng)域壁面限制流動(dòng)的控制方程考慮到流動(dòng)為三維不可壓縮黏性流體,數(shù)值計(jì)算采用連續(xù)性方程和Navier-Stokes方程為控制方程:Spalart-Allmaras模型是單方程模型,專門用于求解航空領(lǐng)域的壁面限制流動(dòng),對(duì)于受逆壓梯度作用的邊界層流動(dòng),其已取得很好的效果,在流體機(jī)械中的應(yīng)用也越來越普遍.2.2網(wǎng)格劃分.計(jì)算區(qū)域?yàn)檫M(jìn)水流道、導(dǎo)葉段、轉(zhuǎn)輪室和出水流道.采用有限體積法對(duì)計(jì)算區(qū)域三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格采用適應(yīng)性強(qiáng)的四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格.采用壓力進(jìn)口和壓力出口邊界條件.速度項(xiàng)、湍動(dòng)能項(xiàng)和湍動(dòng)能黏度系數(shù)項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散.速度和壓力方程用SIMPLEC算法耦合.在固壁區(qū)采用無滑移邊界條件,在近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù).3優(yōu)化旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)3.1cfd模型模擬計(jì)算貫流式機(jī)組的葉片是空間扭曲葉型,輪轂處葉型與輪緣處相比,進(jìn)口角、安放角和彎度都比較大.在其他過流部件尺寸參數(shù)相同、導(dǎo)葉開度相同時(shí),對(duì)改進(jìn)前后的葉片翼型進(jìn)行CFD模擬計(jì)算,并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析.圖2為葉片示意圖.保持圖2a中葉片截面(1-6)形狀不變,將每個(gè)截面沿z軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度,從截面1-6的旋轉(zhuǎn)角度線性遞增,重新生成葉片三維模型,得到圖2b中所示的改進(jìn)后葉片.改進(jìn)后的葉片扭曲角度增大.3.2旋轉(zhuǎn)直徑不同的轉(zhuǎn)輪直徑對(duì)水輪機(jī)組的過流能力、出力等有著重要的影響.圖3給出了原直徑尺寸、1.1倍轉(zhuǎn)輪直徑、1.2倍轉(zhuǎn)輪直徑的轉(zhuǎn)輪剖面示意圖.3.3葉片放養(yǎng)角對(duì)有效重機(jī)械性能的影響葉片安放角?是指葉片骨線沿流動(dòng)方向的切線和圓周方向的夾角,不同的安放角對(duì)水輪機(jī)性能有很大影響.圖4給出了葉片安放角為15°,23°和28°時(shí)的示意圖.4計(jì)算結(jié)果和分析4.1調(diào)查和結(jié)果分析效率和能量損失是衡量水輪機(jī)性能的重要指標(biāo).表1列出了在導(dǎo)葉開度為65°時(shí),葉片翼型改進(jìn)前后的水輪機(jī)組的轉(zhuǎn)輪進(jìn)出口斷面水頭損失Δh、效率η、流量Q的計(jì)算結(jié)果.由表可知,在相同導(dǎo)葉開度下,不同葉片翼型對(duì)水輪機(jī)的效率有一定的影響,其中改進(jìn)后水輪機(jī)效率較高,達(dá)到了87.6%.改進(jìn)后的水輪機(jī)在轉(zhuǎn)輪進(jìn)口斷面至轉(zhuǎn)輪出口斷面水頭損失有所降低,由0.113m降至0.103m.4.2轉(zhuǎn)輪直徑尺寸的影響通過CFD模擬計(jì)算,得到表2所示的不同轉(zhuǎn)輪直徑計(jì)算結(jié)果.由表可見,導(dǎo)葉開度為65°時(shí),在過流部件幾何相似的條件下,不同的轉(zhuǎn)輪直徑對(duì)水輪機(jī)的效率有一定的影響,隨轉(zhuǎn)輪直徑尺寸的變大,效率降低.其中轉(zhuǎn)輪直徑為1.75m時(shí),效率最高,達(dá)到了87.6%.由表還可知,水輪機(jī)在轉(zhuǎn)輪進(jìn)口斷面至轉(zhuǎn)輪出口斷面的水頭損失隨直徑尺寸的變大先減小后增大;1.75m和1.93m轉(zhuǎn)輪直徑下的轉(zhuǎn)輪進(jìn)口斷面至轉(zhuǎn)輪出口斷面的水頭損失相差不大,較2.10m轉(zhuǎn)輪直徑時(shí)的水頭損失小一些.同時(shí),不同的轉(zhuǎn)輪直徑對(duì)水輪機(jī)的過流能力也有一定的影響,隨著轉(zhuǎn)輪直徑增大,過流能力相應(yīng)提高,但是相比效率及轉(zhuǎn)輪部分水力損失的變化,總體上水力性能在降低.4.3轉(zhuǎn)輪葉片投放角對(duì)水力性能的影響通過CFD數(shù)值模擬計(jì)算,得到表3所示的不同葉片安放角計(jì)算結(jié)果.由表可知,在其他過流部件相同、導(dǎo)葉開度為65°時(shí),不同的轉(zhuǎn)輪葉片安放角對(duì)水輪機(jī)的效率有一定的影響,隨轉(zhuǎn)輪葉片安放角的變大,效率降低.其中,安放角為15°時(shí)效率最高,23°時(shí)的效率略有下降,28°時(shí)的效率則下降較大.水輪機(jī)的過流能力隨轉(zhuǎn)輪葉片安放角增大而增大,轉(zhuǎn)輪進(jìn)口斷面至轉(zhuǎn)輪出口斷面的水頭損失也隨轉(zhuǎn)輪葉片安放角的增大而增大.總體上,水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪葉片安放角為23°時(shí),綜合性能較好.雖然水輪機(jī)安放角為23°時(shí)的效率略小于安放角為15°時(shí)的效率,在轉(zhuǎn)輪進(jìn)口斷面至轉(zhuǎn)輪出口斷面的水頭損失也略大于安放角15°時(shí)的水頭損失,但相差都不大,且其流量增大了2.58m3/s,增大的比例較大,更接近設(shè)計(jì)流量.而安放角28°時(shí)的水輪機(jī)雖其過流能力有所提高,但增幅不大,且效率較低,轉(zhuǎn)輪進(jìn)口斷面至轉(zhuǎn)輪出口斷面的水頭損失也較大.故轉(zhuǎn)輪葉片安放角為23°時(shí)的水輪機(jī)總體水力性能較優(yōu).5原模型試驗(yàn)結(jié)果通過GD-WS-35水輪機(jī)模型試驗(yàn),研究超低水頭豎井貫流式水輪機(jī)的性能.保持GD-WS-35型水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速為684.7r/min,在設(shè)計(jì)水頭為2.1m下,導(dǎo)葉開度為65°、葉片安放角為23°時(shí)測(cè)試了水輪機(jī).模型裝置的流量為0.398m3/s,出力為6.838kW,效率為83.34%.按原模型轉(zhuǎn)換規(guī)律轉(zhuǎn)換為原型裝置數(shù)據(jù),則流量為9.96m3/s,出力為174.7kW,效率為85.14%.由試驗(yàn)結(jié)果可見,在設(shè)計(jì)水頭下,水輪機(jī)流量為9.96m3/s,非常接近設(shè)計(jì)流量10m3/s,效率達(dá)到85.14%,比數(shù)模計(jì)算結(jié)果87.6%略低.圖5為導(dǎo)葉開度為65°、葉片安放角為23°時(shí),不同水頭下數(shù)模、物模計(jì)算結(jié)果.由圖可見,數(shù)模結(jié)果的最高效率點(diǎn)比物模結(jié)果的最高效率點(diǎn)偏高,但偏差不大,效率誤差范圍為±3%.產(chǎn)生誤差的主要原因:在水輪機(jī)模型制作過程中,由于導(dǎo)葉內(nèi)緣尺寸過小不易加工,故對(duì)其內(nèi)緣進(jìn)行了適當(dāng)?shù)募雍?同時(shí),豎井貫流式機(jī)組的推力軸承僅承受軸向水推力,其轉(zhuǎn)動(dòng)部分重量由導(dǎo)軸承承受,為了提高其受力穩(wěn)定性,對(duì)其添加了支撐.故物模結(jié)果的最高效率點(diǎn)偏低,但基本與數(shù)值模擬結(jié)果相一致,驗(yàn)證了超低水頭豎井貫流式水輪機(jī)實(shí)際運(yùn)行的可行性.6試驗(yàn)結(jié)果與分析開發(fā)了超低水頭豎井貫流式水輪機(jī),采用改進(jìn)后的葉片,在轉(zhuǎn)輪直徑為1.75m、葉片