叶片水力设计cfd分析

叶片水力设计cfd分析

1轮机稳定性影响因素由于机器人员的特殊工作，叶片入口的倾角非常大，由于机器人员的特殊工作，叶片入口的周界非常大，叶片入口的溢流和叶道的漩涡也非常突出。另外,由于叶片出口正环量很大,在转轮出口产生能量很大的旋转涡带,直接撞击尾水管边壁,产生巨大的撞击和噪音,这些都是造成水轮机不稳定的主要因素。如何降低上述因素出现的范围,使水轮机在40%～100%出力范围内处于稳定运行区域,成为水轮机设计者和科研工作者追求的目标。目前,我国己经投入运行的国内外生产的大型水电机组都不同程度的存在振动问题或裂纹问题,例如,五强溪电站、岩滩电站、二滩电站、天生桥一级电站、隔河岩电站、李家峡电站、大朝山电站、小浪底电站等。电站运行出现振动或叶片裂纹问题,不仅直接影响电站的经济效益,而且对工作环境的影响较大,影响运行人员的身心健康。稳定性问题一直是很难解决的且必须重视的问题。水轮机振动产生的原因很多,本文从水力设计出发,通过改变叶片几何参数,在变工况情况下,对叶片的压力分布、速度矢量变化、流线分布、环量变化情况进行CFD分析。探索叶片头部撞击、脱流和转轮出口旋转涡带变化对稳定性的影响。通过CFD分析和试验相结合,提出叶片几何形状对水轮机稳定性的影响。研究扩大水轮机稳定运行范围。2cfd和试验结果对比分析叶片进水冲角不仅影响水轮机的性能,而且关系到叶片叶道涡及叶片脱流的产生,它直接导致水轮机的振动。在试验过程中,当叶片出现脱流时,整个试验台的振动声响立即增大,噪音急剧上升,地面感觉震动。脱流是产生水力振动的主要原因之一。由于水轮机的工作特性,在整个运行工况不可避免出现叶道涡,如何减少振动范围,使水轮机在40%～100%出力范围内处于稳定运行;是目前水轮机工作者追求的目标。经过大量的CFD分析结果可以看出,叶片头部靠近上冠附近,在叶片工作面附近速度很低,在小负荷工况下,会出现二次流,极易出现脱流和涡带,从文献的计算结果也可以得出同样结论。采用负倾角叶片头部可以缓解此现象的出现。下面以岩滩电站改造为例进行CFD和试验结果对比分析。改造前叶片为传统叶片,改造后为负倾角叶片,模型转轮直径为350mm,计算和试验水头为30m,单位转速为75rpm。图1(a)为改造前导叶开度为12mm时的速度矢量CFD分析结果;图1(b)为改造后导叶开度为12mm时的速度矢量CFD分析结果;图2(a)为改造前导叶开度为12mm时进口流态试验结果;图2(b)为改造后导叶开度为12mm时进口流态试验结果;图3(a)为改造前导叶开度为16mm时的速度矢量CFD分析结果;图3(b)为改造后导叶开度为16mm时的速度矢量CFD分析结果;图4(a)为改造前导叶开度为16mm时进口流态试验结果;图4(b)为改造后导叶开度为16mm时进口流态试验结果。为了计算结果的相似性,计算是在相同导叶、相同水头、相同单位转速下进行。从计算结果可以看出,负倾角叶片延缓出现脱流。对水轮机稳定性是有利的。图2(a)和图2(b)为负倾角叶片与传统叶片在部分负荷下试验结果。负倾角叶片延迟了叶片吸力面脱流的产生,而加速了工作面脱流的产生,由于工作面脱流产生的单位转速很高,所以,在负倾角叶片情况下,工作面脱流的产生区域已经不在水轮机运行范围内,而叶片吸力面脱流产生范围也不在水轮机运行范围内,因此,负倾角叶片延迟了水轮机运行范围内脱流的产生。从CFD分析和试验结果对比分析,CFD分析结果与试验结果是一致的。从CFD分析结果可以看出,在图1(a)和图3(a)均出现二次流,与对应的试验结果可以看出均出现不同程度的脱流。从图2(a)和图4(a)可以看出在叶片头部均出现不同程度的脱流。而图1(b)和图3(b)没有出现二次流,试验结果中对应的图2(b)和图4(b)叶片进口没有出现脱流。另外,负倾角叶片与传统叶片相比还有一大特点,负倾角叶片95%限制流量与最优流量之比较大,而传统叶片95%限制流量与最优流量之比相对较小,负倾角叶片95%限制流量与最优流量之比大约为l.4左右,而传统叶片95%限制流量与最优流量之比大约为1.2左右。所以负倾角叶片与传统叶片相比大约多出10%的稳定运行区域。3改造前盘式旅游传感器cfd叶片出水边环量的变化,影响转轮出口涡带的变化,一般情况下,水轮机在最优工况点为法线出口,出口环量基本为零或出口环量较小。如果控制出口环量,可以适当控制出口旋转涡带的产生。即出力限制线流量与最优流量之比大的情况,水轮机稳定运行范围变大。根据文献,在转轮出口为法向出口时,环量为零,此时为无涡带;在特性曲线最优工况的左侧,出口环量为正,此时涡带为旋转涡带,为不稳定涡带;在特性曲线最优工况的右侧,出口环量为负,此时涡带为柱型涡带,为稳定涡带。出力限制线流量与最优流量之比越大,水轮机稳定运行区域越大。所以,适当改变叶片出水边环量,可以扩大水轮机稳定运行区域。下面是CFD分析结果与试验结果对比分析,图5是改造前后导叶开度为12mm时转轮出口环量分布;图6是改造前导叶开度为12mm时转轮出口涡带试验结果;图7是改造后导叶开度为12mm时转轮出口涡带试验结果;图8是改造前后导叶开度为16mm时转轮出口环量分布;图9是改造前导叶开度为16mm时转轮出口涡带试验结果;图10是改造后导叶开度为16mm时转轮出口涡带试验结果。从CFD分析结果与试验结果对比可以看出,出口环量对涡带的影响主要是靠近上冠附近叶片出口环量的影响较大,靠近下环附近叶片出口环量的影响较小。4叶片应力计算结果负倾角叶片与传统叶片相比,不仅具有好的稳定性,而且还具有好的应力分布规律,通过应力分析可以看出,在厚度基本相同的情况下,负倾角叶片与传统叶片相比,具有好的应力分布规律。图11和图12是传统叶片与负倾角叶片应力计算结果,从结果比较可以看出,负倾角叶片具有明显优势。尤其是负倾角叶片应力分布均匀,所以说负倾角叶片具有良好的抗裂纹能力。5影响叶轮出水边环量的因素根据CFD分析结果,传统叶片头部靠近上冠附近,在叶片工作面附近速度很低,在小负荷工况下,极易出现涡带。叶片进口冲角对叶片脱流影响较大,负倾角叶片可以延缓叶片脱流的产生;叶片出水边环量的变化,影响转轮出口涡带的变化,出力限制线流量与最优流量之比越大,水轮机稳定运行区域越大,适当改变叶片出水边环量,可以扩大水轮机稳定运行区域;叶片出口环量对涡带的影响主要是靠近上冠附近的环量大小;负倾角叶片限制