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3、应用于注水井下水轮机数值模拟优化
通过数值模拟,对轴流式水轮机各部分尺寸进一步优化,包括叶片翼型及叶片数、导叶形式等。

预估水轮机效率等主要性能指标。

然后对该优选方案的其它工况水轮机的性能进行预估,更加全面地了解该水轮机的性能。

3.1 转轮叶片优化
(1)叶片翼型的优化
轴面流道的几何形状在很大程度上决定着水轮机的过流能力,也直接影响其效率和空蚀性能。

因此,在转轮设计中,正确选择流道的几何参数具有重要意义。

为了适应水轮机过流量的增大,同时既要保证水轮机具有良好的能量转换能力和空化性能,又要保持桨叶表面的平滑不产生扭曲,轴流式转轮取消了混流式转轮的上冠和下环,桨叶数目相应减少,一般为3~8片,桨叶轴线位置变为水平,使得转轮流道的过流断面面积增大,提高了轴流式水轮机的单位流量和单位转速。

另一方面由于轴流式水轮机桨叶数较少,桨叶呈悬臂形式,所以强度条件较差。

本改型设计,由于不能改变过水流道的几何尺寸而使轴面流道的几何参数选择受到很大的限制。

在现有的流道条件下,只对转轮直径和叶片的厚度适当的改型。

增加了转轮直径和叶片的厚度,这使得水轮机的强度增加了,但是这将减少转轮流道的过流断面面积,使得单位流量下降。

水轮机转轮改型设计前后的示意图如图3-1和3-2。

图3-1 改进前的转轮示意图图3-2 改进后的转轮示意图
1)叶片静压
转轮改进前后水轮机转轮叶片压力分布如图3-3和图3-4。

图3-3 改进前的转轮叶片正背面压力分布图
图3-4 改进后的转轮叶片正背面压力分布图
由图3-3和图3-4可见,在其他过流部件参数相同,水轮机进口压力相同,转速相同时,改进后的转轮叶片正背面压差较小,而改进前转轮叶片正背面压差较大,且正面最大压力大于改进后叶片正面最大压力,最小压力低于改进后叶片背面最低压力。

2)计算效率
表3-1为在进口水流压力相同和转速相同时,转轮叶片翼型改进前后水轮机的流量和效率的对比。

表3-1 转轮叶片翼型改进前后水轮机的流量和效率
由上表可见,转轮叶片翼型改进后,水轮机的过流量减少,效率增加非常明显。

3)水力损失
表3-2转轮叶片改进前后水力损失计算表
表中,A为进水断面,B为上导叶进口断面,C为转轮进口断面,D为转轮出口断面,E为出水断面。

△h为该部分水头损失,ξ为该部分水头损失系数。

由表3-2可见,叶片改进后,在导叶上的水头损失明显减小,转轮上的水头损失增大,总的水头损失减小,总水头损失系数减小。

综上所述,改进后的转轮叶片翼型有较优的性能。

(2)叶片个数对水轮机性能影响
在其他过流部件参数不变的情况下,增加叶片数可以增加水轮机的强度,但是同时将减少转轮流道的过流断面面积,使得单位流量下降。

图3-5为不同叶片个数转轮示意图。

图3-10 不同叶片个数转轮示意图
1)叶片静压
图3-6和图3-7分别为三叶片和五叶片时叶片正背面压力分布图。

图3-6 三叶片正背面压力分布图
图3-7 五叶片正背面压力分布图
由上图可知,在其他过流部件参数相同,进水压力相同,转速相同的条件下,三叶片时叶片正背面的压差比无叶片正背面压差大,且叶片正面最大压力大于五
叶片时叶片正面压力最大值,叶片背面最小压力小于五叶片时叶片背面压力最小值。

2)计算效率
表3-3在其它过流部件参数相同,进水压力相同,转速相同的条件下,不同叶片数时水轮机的流量和效率。

表3-3不同叶片个数水轮机的流量和效率
由上表可知,叶片数由三片增加到五片时,通过转轮流道的流量有所下降,但是效率有明显提高。

3.2 导叶的优化
(1)导叶翼型的优化
不同导叶形式对水轮机的效率有一定的影响。

图3-8为导叶优化前后结构示意图。

图3-8 导叶优化前后结构示意图
(2)增加下导叶
在其他过流部件参数相同,进口水压相同,转速相同的情况下,在转轮水流出口增加下导叶,进行计算分析。

图3-9为下导叶结构示意图。

图3-9 下导叶结构示意图
1)叶片静压
图3-10为无下导叶时叶片正背面静压分布图,图3-11为有下导叶时叶片正背面静压分布图。

图3-10 无下导叶时叶片正面压力分布图
图3-11 有下导叶时叶片正面压力分布图
由叶片压力分布图可见,在其他过流部件参数相同,水流进口压力相同,转速相同的情况下,无下导叶时转轮叶片正背面压差比有下导叶时转轮叶片正背面压差大,且叶片正面最大压力大于有下导叶时叶片正面最大压力,叶片背面最小压力小于有下导叶时叶片背面最小压力值。

2)计算效率
表3-4在其他过流部件参数相同,水流进口压力相同,转速相同的情况下,无下导叶和有下导叶时水轮机的流量和效率。

表3-4无下导叶时水轮机的流量和效率
由上表可见,增加了下导叶之后,通过水轮机的的流量基本不变,效率略有增加。

3)水力损失
表3-5有无下导叶水力损失计算表
表中,A表示进水断面,B表示上导叶进口断面,C表示转轮进口断面,D表示转轮出口断面,E表示下导叶出口断面,F表示出水断面。

△h表示该部分的水头损失,ξ表示该部分的水头损失系数。