高水頭混流式水輪機飛逸工況流動特性數(shù)值研究.pdf

1、在飛逸發(fā)生時，水輪機的轉(zhuǎn)速達(dá)到此導(dǎo)葉開度下的最大值，通常大于150％的同步轉(zhuǎn)速。機組將承受非常大的附加質(zhì)量力，有可能造成機組結(jié)構(gòu)破壞。與此同時，轉(zhuǎn)輪中的流態(tài)變差，產(chǎn)生非常大振幅的不穩(wěn)定壓力脈動，會引起轉(zhuǎn)輪的疲勞破壞，影響轉(zhuǎn)輪的壽命。本文以典型的高水頭混流式模型水輪機Francis99為研究對象，針對數(shù)值模擬方法和飛逸工況流動特性兩方面進行了研究。主要結(jié)論如下：
　　首先對Francis99三個特征工況進行了數(shù)值計算，將數(shù)值結(jié)果與實

2、驗值進行了對比。計算采用了兩種常用的湍流模型（標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、k-ωSST模型）以及一種更高級的湍流模型（SAS-SST模型）。另外從節(jié)省計算資源的角度進行探索，應(yīng)用TBR（TransientBladeRow）模型中的PT方法和FT方法對活動導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪分別進行了單流道和雙流道非穩(wěn)態(tài)計算。從對水力效率、各監(jiān)測點壓力均值、尾水管截面速度以及壓力脈動頻域特性等結(jié)果的對比分析中可以看出，應(yīng)用不同湍流模型進行計算，可從不同角度影響計算結(jié)果，但都得

3、出相近于實驗數(shù)據(jù)的結(jié)果。采用不同湍流模型對計算結(jié)果有不同的影響，但都可以得到與實驗數(shù)據(jù)較為吻合的結(jié)果。采用FT方法可以得到與全環(huán)計算相當(dāng)?shù)慕Y(jié)果，由于該方法僅需兩個流道的計算模型，因此可以在節(jié)省計算資源的同時采用更加精細(xì)合理的網(wǎng)格。
　　對數(shù)值模擬方法的對比分析，使得所采用數(shù)值方法的準(zhǔn)確性得到驗證。為了在保證計算精度的同時節(jié)約計算資源、減少計算耗時，采用k-ωSST湍流模型計算了飛逸工況內(nèi)部流動規(guī)律。重點關(guān)注了轉(zhuǎn)輪葉片表面壓力分布、

4、轉(zhuǎn)輪域內(nèi)流動狀態(tài)、各監(jiān)測點處壓力脈動時域和頻域特性。得出的主要結(jié)論有：飛逸工況下，葉片表面的壓力梯度分布與正常工況存在較大差異，最高壓力位于進口邊背面靠近上冠及下環(huán)處且呈對稱分布，最低壓力出現(xiàn)在進口邊正面靠近上冠及下環(huán)處；水流以旋轉(zhuǎn)渦流狀態(tài)進入轉(zhuǎn)輪，進出口速度大小變化不明顯；水流在轉(zhuǎn)輪流道內(nèi)的流動狀態(tài)以一個長葉片和一個短葉片為周期，即每間隔一個流道內(nèi)的流動狀況相同；飛逸工況下無葉區(qū)壓力脈動幅值明顯高于正常工況，在導(dǎo)葉開度為3.91°及9