大型混流式水輪機(jī)模型內(nèi)部流動(dòng)穩(wěn)定性研究.pdf

1、隨著電力需求的不斷增長(zhǎng)，混流式水輪機(jī)逐漸向高轉(zhuǎn)速、大容量以及高水頭方向發(fā)展。單機(jī)容量的增大、轉(zhuǎn)速的提高，導(dǎo)致機(jī)組的水力設(shè)計(jì)呈現(xiàn)高比轉(zhuǎn)速的發(fā)展趨勢(shì)，空化引起的兩相流流動(dòng)穩(wěn)定性問題逐漸得到重視。本文針對(duì)高水頭大容量混流式水輪機(jī)中普遍存在的空化兩相流流動(dòng)穩(wěn)定性問題，采用內(nèi)部流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試、能量特性測(cè)試以及數(shù)值模擬相結(jié)合的手段展開研究。
　　為了實(shí)現(xiàn)對(duì)混流式水輪機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的粒子成像測(cè)速儀（PIV）測(cè)量，建立了局部部件透明的模型混流式實(shí)驗(yàn)臺(tái)，

2、設(shè)計(jì)了可以觀察轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流場(chǎng)并且滿足強(qiáng)度要求的透明轉(zhuǎn)輪，加工了便于測(cè)量無(wú)葉區(qū)流場(chǎng)的帶有透明有機(jī)玻璃視窗的蝸殼、固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉等部件，最后基于實(shí)驗(yàn)臺(tái)循環(huán)回路建立了PIV實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)機(jī)組的流量、轉(zhuǎn)速、壓力以及輸出功率等參數(shù)，并建立了PIV相位鎖定方法以詳細(xì)分析內(nèi)部流場(chǎng)的演化規(guī)律。通過(guò)對(duì)無(wú)葉區(qū)附近流場(chǎng)、葉道渦、葉片表面脫流空化以及尾水管渦帶的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)：實(shí)驗(yàn)測(cè)試工況下，活動(dòng)導(dǎo)葉吸力面流場(chǎng)的變化周期與葉片通過(guò)頻率有關(guān)，其周期性變化

3、是造成無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)的主要原因；尾水管渦帶的旋轉(zhuǎn)周期呈現(xiàn)低頻特征；轉(zhuǎn)輪內(nèi)部的葉道渦流動(dòng)演化的主頻為葉片通過(guò)頻率；葉片進(jìn)口邊背面脫流空化具有高頻演化特征，其主頻為導(dǎo)葉通過(guò)頻率。
　　為了詳細(xì)分析混流式水輪機(jī)機(jī)組內(nèi)部的葉道渦、尾水管渦帶的流動(dòng)特征，采用了大渦模擬（LES）方法和基于蒸發(fā)/凝結(jié)空化模型的計(jì)算方法，對(duì)模型混流式水輪機(jī)的外特性、內(nèi)流場(chǎng)等進(jìn)行了數(shù)值預(yù)測(cè)。在任意活動(dòng)導(dǎo)葉開度下，采用空化兩相流計(jì)算的外特性結(jié)果與實(shí)驗(yàn)對(duì)比吻合度高，而

4、單相流計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值誤差較大；在額定工作開度下，轉(zhuǎn)輪出口不存在強(qiáng)旋流流動(dòng)形態(tài)，可以有效地改善尾水管入口流動(dòng)，降低尾水管的壓力脈動(dòng)；開度較小時(shí)，尾水管渦帶存在復(fù)雜的雙渦帶現(xiàn)象。
　　為了研究混流式水輪機(jī)機(jī)組內(nèi)部流場(chǎng)的流動(dòng)穩(wěn)定性，基于數(shù)值模擬方法預(yù)測(cè)了機(jī)組內(nèi)部的壓力脈動(dòng)，捕捉了壓力脈動(dòng)的頻譜特征及演化規(guī)律，同時(shí)基于曲線坐標(biāo)系下的湍動(dòng)能輸運(yùn)方程對(duì)混流式水輪機(jī)無(wú)葉區(qū)流場(chǎng)的流動(dòng)穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：不同開度不同工況下，混流式水輪機(jī)無(wú)

5、葉區(qū)的壓力脈動(dòng)主頻均為葉片通過(guò)頻率，次頻均為葉片通過(guò)頻率的兩倍頻；隨著開度增加，尾水管入口處的壓力脈動(dòng)高頻分量越來(lái)越明顯。通過(guò)對(duì)湍動(dòng)能在無(wú)葉區(qū)分布的研究，發(fā)現(xiàn)影響流動(dòng)穩(wěn)定的主要因素是正應(yīng)力生成項(xiàng)和切應(yīng)力生成項(xiàng)；導(dǎo)葉開度較小時(shí)，無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)的提高主要是由于活動(dòng)導(dǎo)葉尾跡流造成的，當(dāng)活動(dòng)導(dǎo)葉開度較大時(shí)，無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)的提高主要由于活動(dòng)導(dǎo)葉尾跡流受轉(zhuǎn)輪的干涉作用造成。另外，活動(dòng)導(dǎo)葉開度較小時(shí)，活動(dòng)導(dǎo)葉的尾跡流動(dòng)直接影響湍動(dòng)能正應(yīng)力生成項(xiàng)大小，