【摘要】：基于準(zhǔn)三維的反問題設(shè)計方法,設(shè)計了可用于低水頭可再生能源開發(fā)的超低水頭軸流式水輪機(jī)的導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪葉片.導(dǎo)葉為等厚葉片,轉(zhuǎn)輪葉片采用空化性能良好的NACA 66(MOD)翼型.設(shè)計中根據(jù)給定的進(jìn)出口邊環(huán)量分布及葉片表面載荷分布,在滿足無撞擊進(jìn)口水流條件下,計算、調(diào)整葉片剖面翼型的拱度和安放角.為了驗證設(shè)計方法的有效性,還對該軸流式水輪機(jī)進(jìn)行了全流道的三維定常湍流計算.計算結(jié)果表明:流道內(nèi)水流流動平順,水力損失小,最高效率可以達(dá)到92.16%,且在較寬的水頭變幅內(nèi),水輪機(jī)均具有良好的水力性能.
【圖文】：

轉(zhuǎn)輪葉片設(shè)計基于上述反問題設(shè)計方法，，對某超低水頭軸流式水輪機(jī)的導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪進(jìn)行了設(shè)計．導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪葉片均設(shè)計為固定式，且導(dǎo)葉為等厚葉片，轉(zhuǎn)輪葉片采用空化性能好的ＮＡＣＡ６６（ａ＝０．８）翼型．水輪機(jī)設(shè)計參數(shù)：轉(zhuǎn)速ｎ＝５００ｒ／ｍｉｎ，轉(zhuǎn)輪直徑Ｄ１＝０．５ｍ，輪轂直徑ｄｈ＝０．２２ｍ，葉片數(shù)Ｚｒ＝４，導(dǎo)葉數(shù)Ｚｇ＝６，設(shè)計水頭Ｈｒ＝４．０ｍ，設(shè)計流量Ｑｒ＝０．６１５ｍ３／ｓ．三維反問題方法設(shè)計得到的水輪機(jī)三維模型如圖１所示．圖１超低水頭軸流式水輪機(jī)三維模型Ｆｉｇ．１Ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｕｌｔｒａ－ｌｏｗｈｅａｄａｘｉａｌ－ｆｌｏｗｗａｔｅｒｔｕｒｂｉｎｅ２流動三維湍流數(shù)值模擬及分析由于上述反問題設(shè)計方法是基于無粘有勢流的，存在一定的局限性．在完成葉型設(shè)計后，通過三維湍流數(shù)值計算對設(shè)計得到的葉片進(jìn)行了性能評價，并與反問題設(shè)計計算結(jié)果進(jìn)行了對比，以進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計質(zhì)量．２．１湍流數(shù)值模擬方法采用雷諾時均Ｎ－Ｓ方程和標(biāo)準(zhǔn)ｋ－ε湍流模型聯(lián)立求解三維定常湍流場，用多重運(yùn)動參考系模型（ＭＲＦ）處理動部件的旋轉(zhuǎn)問題，近壁邊界層處理采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)．方程組的壓力項由二階中心差分格式離散，其他項則采用二階迎風(fēng)差分格式．壓力和速度變量解耦計算采用ＳＩＭＰＬＥＣ算法．采用混合網(wǎng)格劃分網(wǎng)格單元．其中，以較細(xì)網(wǎng)格劃分了導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪葉片區(qū)域，并就網(wǎng)格無關(guān)性進(jìn)行了檢查．２．２超低水頭軸流式水輪機(jī)內(nèi)部流動分析設(shè)計工況下導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪葉片壓力及相對速度分布如圖２～５所

第５期肖惠民，等：超低水頭軸流式水輪機(jī)反問題設(shè)計及水力特性研究優(yōu)化導(dǎo)葉出水邊位置，提高轉(zhuǎn)輪性能．圖２設(shè)計工況導(dǎo)葉靜壓分布（單位：Ｐａ）Ｆｉｇ．２Ｓｔａｔｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｎｏｎｇｕｉｄｅｖａｎｅ（ｕｎｉｔ：Ｐａ）圖３設(shè)計工況轉(zhuǎn)輪葉片靜壓分布（單位：Ｐａ）Ｆｉｇ．３Ｓｔａｔｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｎｒｕｎｎｅｒｂｌａｄｅ（ｕｎｉｔ：Ｐａ）圖４設(shè)計工況導(dǎo)葉速度分布（單位：ｍ／ｓ）Ｆｉｇ．４Ｖｅｌｏｃｉｔｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｎｇｕｉｄｅｖａｎｅ（ｕｎｉｔ：ｍ／ｓ）圖５設(shè)計工況轉(zhuǎn)輪葉片相對速度分布（單位：ｍ／ｓ）Ｆｉｇ．５Ｒｅｌａｔｉｖｅｖｅｌｏｃｉｔｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｎｒｕｎｎｅｒｂｌａｄｅ（ｕｎｉｔ：ｍ／ｓ）６８５

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