葉片水力設(shè)計(jì)cfd分析

葉片水力設(shè)計(jì)cfd分析

1輪機(jī)穩(wěn)定性影響因素由于機(jī)器人員的特殊工作，葉片入口的傾角非常大，由于機(jī)器人員的特殊工作，葉片入口的周界非常大，葉片入口的溢流和葉道的漩渦也非常突出。另外,由于葉片出口正環(huán)量很大,在轉(zhuǎn)輪出口產(chǎn)生能量很大的旋轉(zhuǎn)渦帶,直接撞擊尾水管邊壁,產(chǎn)生巨大的撞擊和噪音,這些都是造成水輪機(jī)不穩(wěn)定的主要因素。如何降低上述因素出現(xiàn)的范圍,使水輪機(jī)在40%～100%出力范圍內(nèi)處于穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域,成為水輪機(jī)設(shè)計(jì)者和科研工作者追求的目標(biāo)。目前,我國(guó)己經(jīng)投入運(yùn)行的國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的大型水電機(jī)組都不同程度的存在振動(dòng)問(wèn)題或裂紋問(wèn)題,例如,五強(qiáng)溪電站、巖灘電站、二灘電站、天生橋一級(jí)電站、隔河巖電站、李家峽電站、大朝山電站、小浪底電站等。電站運(yùn)行出現(xiàn)振動(dòng)或葉片裂紋問(wèn)題,不僅直接影響電站的經(jīng)濟(jì)效益,而且對(duì)工作環(huán)境的影響較大,影響運(yùn)行人員的身心健康。穩(wěn)定性問(wèn)題一直是很難解決的且必須重視的問(wèn)題。水輪機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生的原因很多,本文從水力設(shè)計(jì)出發(fā),通過(guò)改變?nèi)~片幾何參數(shù),在變工況情況下,對(duì)葉片的壓力分布、速度矢量變化、流線分布、環(huán)量變化情況進(jìn)行CFD分析。探索葉片頭部撞擊、脫流和轉(zhuǎn)輪出口旋轉(zhuǎn)渦帶變化對(duì)穩(wěn)定性的影響。通過(guò)CFD分析和試驗(yàn)相結(jié)合,提出葉片幾何形狀對(duì)水輪機(jī)穩(wěn)定性的影響。研究擴(kuò)大水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行范圍。2cfd和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析葉片進(jìn)水沖角不僅影響水輪機(jī)的性能,而且關(guān)系到葉片葉道渦及葉片脫流的產(chǎn)生,它直接導(dǎo)致水輪機(jī)的振動(dòng)。在試驗(yàn)過(guò)程中,當(dāng)葉片出現(xiàn)脫流時(shí),整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)的振動(dòng)聲響立即增大,噪音急劇上升,地面感覺(jué)震動(dòng)。脫流是產(chǎn)生水力振動(dòng)的主要原因之一。由于水輪機(jī)的工作特性,在整個(gè)運(yùn)行工況不可避免出現(xiàn)葉道渦,如何減少振動(dòng)范圍,使水輪機(jī)在40%～100%出力范圍內(nèi)處于穩(wěn)定運(yùn)行;是目前水輪機(jī)工作者追求的目標(biāo)。經(jīng)過(guò)大量的CFD分析結(jié)果可以看出,葉片頭部靠近上冠附近,在葉片工作面附近速度很低,在小負(fù)荷工況下,會(huì)出現(xiàn)二次流,極易出現(xiàn)脫流和渦帶,從文獻(xiàn)的計(jì)算結(jié)果也可以得出同樣結(jié)論。采用負(fù)傾角葉片頭部可以緩解此現(xiàn)象的出現(xiàn)。下面以巖灘電站改造為例進(jìn)行CFD和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析。改造前葉片為傳統(tǒng)葉片,改造后為負(fù)傾角葉片,模型轉(zhuǎn)輪直徑為350mm,計(jì)算和試驗(yàn)水頭為30m,單位轉(zhuǎn)速為75rpm。圖1(a)為改造前導(dǎo)葉開(kāi)度為12mm時(shí)的速度矢量CFD分析結(jié)果;圖1(b)為改造后導(dǎo)葉開(kāi)度為12mm時(shí)的速度矢量CFD分析結(jié)果;圖2(a)為改造前導(dǎo)葉開(kāi)度為12mm時(shí)進(jìn)口流態(tài)試驗(yàn)結(jié)果;圖2(b)為改造后導(dǎo)葉開(kāi)度為12mm時(shí)進(jìn)口流態(tài)試驗(yàn)結(jié)果;圖3(a)為改造前導(dǎo)葉開(kāi)度為16mm時(shí)的速度矢量CFD分析結(jié)果;圖3(b)為改造后導(dǎo)葉開(kāi)度為16mm時(shí)的速度矢量CFD分析結(jié)果;圖4(a)為改造前導(dǎo)葉開(kāi)度為16mm時(shí)進(jìn)口流態(tài)試驗(yàn)結(jié)果;圖4(b)為改造后導(dǎo)葉開(kāi)度為16mm時(shí)進(jìn)口流態(tài)試驗(yàn)結(jié)果。為了計(jì)算結(jié)果的相似性,計(jì)算是在相同導(dǎo)葉、相同水頭、相同單位轉(zhuǎn)速下進(jìn)行。從計(jì)算結(jié)果可以看出,負(fù)傾角葉片延緩出現(xiàn)脫流。對(duì)水輪機(jī)穩(wěn)定性是有利的。圖2(a)和圖2(b)為負(fù)傾角葉片與傳統(tǒng)葉片在部分負(fù)荷下試驗(yàn)結(jié)果。負(fù)傾角葉片延遲了葉片吸力面脫流的產(chǎn)生,而加速了工作面脫流的產(chǎn)生,由于工作面脫流產(chǎn)生的單位轉(zhuǎn)速很高,所以,在負(fù)傾角葉片情況下,工作面脫流的產(chǎn)生區(qū)域已經(jīng)不在水輪機(jī)運(yùn)行范圍內(nèi),而葉片吸力面脫流產(chǎn)生范圍也不在水輪機(jī)運(yùn)行范圍內(nèi),因此,負(fù)傾角葉片延遲了水輪機(jī)運(yùn)行范圍內(nèi)脫流的產(chǎn)生。從CFD分析和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析,CFD分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果是一致的。從CFD分析結(jié)果可以看出,在圖1(a)和圖3(a)均出現(xiàn)二次流,與對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果可以看出均出現(xiàn)不同程度的脫流。從圖2(a)和圖4(a)可以看出在葉片頭部均出現(xiàn)不同程度的脫流。而圖1(b)和圖3(b)沒(méi)有出現(xiàn)二次流,試驗(yàn)結(jié)果中對(duì)應(yīng)的圖2(b)和圖4(b)葉片進(jìn)口沒(méi)有出現(xiàn)脫流。另外,負(fù)傾角葉片與傳統(tǒng)葉片相比還有一大特點(diǎn),負(fù)傾角葉片95%限制流量與最優(yōu)流量之比較大,而傳統(tǒng)葉片95%限制流量與最優(yōu)流量之比相對(duì)較小,負(fù)傾角葉片95%限制流量與最優(yōu)流量之比大約為l.4左右,而傳統(tǒng)葉片95%限制流量與最優(yōu)流量之比大約為1.2左右。所以負(fù)傾角葉片與傳統(tǒng)葉片相比大約多出10%的穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域。3改造前盤(pán)式旅游傳感器cfd葉片出水邊環(huán)量的變化,影響轉(zhuǎn)輪出口渦帶的變化,一般情況下,水輪機(jī)在最優(yōu)工況點(diǎn)為法線出口,出口環(huán)量基本為零或出口環(huán)量較小。如果控制出口環(huán)量,可以適當(dāng)控制出口旋轉(zhuǎn)渦帶的產(chǎn)生。即出力限制線流量與最優(yōu)流量之比大的情況,水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行范圍變大。根據(jù)文獻(xiàn),在轉(zhuǎn)輪出口為法向出口時(shí),環(huán)量為零,此時(shí)為無(wú)渦帶;在特性曲線最優(yōu)工況的左側(cè),出口環(huán)量為正,此時(shí)渦帶為旋轉(zhuǎn)渦帶,為不穩(wěn)定渦帶;在特性曲線最優(yōu)工況的右側(cè),出口環(huán)量為負(fù),此時(shí)渦帶為柱型渦帶,為穩(wěn)定渦帶。出力限制線流量與最優(yōu)流量之比越大,水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域越大。所以,適當(dāng)改變?nèi)~片出水邊環(huán)量,可以擴(kuò)大水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域。下面是CFD分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析,圖5是改造前后導(dǎo)葉開(kāi)度為12mm時(shí)轉(zhuǎn)輪出口環(huán)量分布;圖6是改造前導(dǎo)葉開(kāi)度為12mm時(shí)轉(zhuǎn)輪出口渦帶試驗(yàn)結(jié)果;圖7是改造后導(dǎo)葉開(kāi)度為12mm時(shí)轉(zhuǎn)輪出口渦帶試驗(yàn)結(jié)果;圖8是改造前后導(dǎo)葉開(kāi)度為16mm時(shí)轉(zhuǎn)輪出口環(huán)量分布;圖9是改造前導(dǎo)葉開(kāi)度為16mm時(shí)轉(zhuǎn)輪出口渦帶試驗(yàn)結(jié)果;圖10是改造后導(dǎo)葉開(kāi)度為16mm時(shí)轉(zhuǎn)輪出口渦帶試驗(yàn)結(jié)果。從CFD分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可以看出,出口環(huán)量對(duì)渦帶的影響主要是靠近上冠附近葉片出口環(huán)量的影響較大,靠近下環(huán)附近葉片出口環(huán)量的影響較小。4葉片應(yīng)力計(jì)算結(jié)果負(fù)傾角葉片與傳統(tǒng)葉片相比,不僅具有好的穩(wěn)定性,而且還具有好的應(yīng)力分布規(guī)律,通過(guò)應(yīng)力分析可以看出,在厚度基本相同的情況下,負(fù)傾角葉片與傳統(tǒng)葉片相比,具有好的應(yīng)力分布規(guī)律。圖11和圖12是傳統(tǒng)葉片與負(fù)傾角葉片應(yīng)力計(jì)算結(jié)果,從結(jié)果比較可以看出,負(fù)傾角葉片具有明顯優(yōu)勢(shì)。尤其是負(fù)傾角葉片應(yīng)力分布均勻,所以說(shuō)負(fù)傾角葉片具有良好的抗裂紋能力。5影響葉輪出水邊環(huán)量的因素根據(jù)CFD分析結(jié)果,傳統(tǒng)葉片頭部靠近上冠附近,在葉片工作面附近速度很低,在小負(fù)荷工況下,極易出現(xiàn)渦帶。葉片進(jìn)口沖角對(duì)葉片脫流影響較大,負(fù)傾角葉片可以延緩葉片脫流的產(chǎn)生;葉片出水邊環(huán)量的變化,影響轉(zhuǎn)輪出口渦帶的變化,出力限制線流量與最優(yōu)流量之比越大,水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域越大,適當(dāng)改變?nèi)~片出水邊環(huán)量,可以擴(kuò)大水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域;葉片出口環(huán)量對(duì)渦帶的影響主要是靠近上冠附近的環(huán)量大小;負(fù)傾角葉片限制