本文關鍵詞：HL638-WJ-84水輪機內流分析及增容改造

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【摘要】：通過更換新型轉輪來增容改造,預期性能和增容效果明確,是水輪機增容改造的首選方案。無新型轉輪可替代時,對大型機組而言可以委托研發(fā)部門研發(fā)新型水力模型,而中小型機組受制于昂貴的研發(fā)成本只能選擇放棄。近年來,CFD軟件的應用日益普及,為預測水輪機性能提供了良好的數值模擬平臺。青海省唯哇水電站豐水季節(jié)存在大量棄水現象,1#機組水輪機額定出力遠小于其發(fā)電機額定出力,水能資源和機組條件提供了增容改造的必要性和可能性,本文根據其HL638-WJ-84水輪機增容改造的需求,提出了減少葉片數且切割葉片出水邊來增加水輪機過流能力的改型方案,嘗試了用CFD數值模擬分析方法來預估改型效果,以期達到用CFD技術比較準確地指導增容改造工作之目的。根據計算結果,在最優(yōu)工況下,改造后轉輪效率會降低1%,出力會增加139kW；在限制工況下,出力會提高362kW,說明改造后轉輪出力比改造前會增加16.35%,可以達到很好的增容效果。據此方案增容改造,機組實際增容達23%。由于多種因素影響,水輪機最大出力CFD計算結果比實際改造結果偏小近7%,但這已表明用CFD模擬計算結果可以半定向指導中小型水輪機增容改造工作,當然也表明還需進一步研究提高模擬精度的方法。雖然無法得到水輪機全特性試驗曲線,但對運行于唯一單位轉速下的徑流式水電站而言,已能夠滿足實際增容工作需求。本文分別選取了水輪機四個典型工況點(小流量工況、最優(yōu)工況、限制工況和大流量工況),采用標準k-ε紊流模型以及SIMPLEC算法進行數值模擬。計算表明：限制工況下改造前葉片進水邊背面靠近上冠和上環(huán)處均存在局部高壓,葉片背面靠近出口處存在局部低壓,改造后進口邊背面局部高壓消失但出口邊背面局部低壓面積有所增加,說明改造后葉片背面出口處的空化增強空蝕性能有所下降；改造后水輪機最優(yōu)效率區(qū)向大流量區(qū)域偏移,改造后水輪機過流能力增大。
【關鍵詞】：轉輪 增容改造 葉片數 切割葉片 數值模擬
【學位授予單位】：蘭州理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TK730
【目錄】：

• 摘要7-8
• Abstract8-10
• 1 緒論10-16
• 1.1 國內外混流式水輪機改型的現狀及發(fā)展10-11
• 1.2 水輪機轉輪改型的必要性和可行性11-13
• 1.2.1 必要性分析11-12
• 1.2.2 可行性分析12-13
• 1.3 水輪機轉輪改型的限制條件及新轉輪選擇原則13-14
• 1.4 本課題研究的主要內容14-15
• 1.5 本課題的研究意義15-16
• 2 水輪機內水流數學模型CFD基本理論16-33
• 2.1 計算流體動力學基礎16-18
• 2.2 基于數值試驗的水輪機改造的軟件平臺18-19
• 2.2.1 流場分析軟件--FLUENT18-19
• 2.2.2 ICEM-CFD網格劃分軟件19
• 2.3 混流式水輪機數值模擬的控制方程及離散方法19-21
• 2.3.1 水輪機內部流動的基本方程19-20
• 2.3.2 基于有限體積法的控制方程的離散20-21
• 2.4 混流式水輪機流場數值計算常用的湍流模型21-26
• 2.4.1 標準k-ε模型22-23
• 2.4.2 RNG模型23-24
• 2.4.3 Realizable模型24-26
• 2.5 流場計算算法26-29
• 2.5.1 SIMPLE算法26-27
• 2.5.2 SIMPLER算法27-28
• 2.5.3 SIMPLEC算法28-29
• 2.6 水輪機全流道三維數值模擬的邊界條件29-32
• 2.6.1 入口邊界條件29-30
• 2.6.2 出口邊界條件30
• 2.6.3 壓力邊界條件30
• 2.6.4 固壁邊界條件30-31
• 2.6.5 耦合面條件31-32
• 2.7 本章總結32-33
• 3 幾何模型建立及網格劃分33-46
• 3.1 Pro/E軟件的簡介33-34
• 3.2 混流式水輪機各個過流部件的幾何建模34-38
• 3.2.1 蝸殼導葉的幾何建模34-35
• 3.2.2 轉輪的幾何建模35-36
• 3.2.3 尾水管的幾何建模36-38
• 3.3 網格劃分38-42
• 3.3.1 網格分類38-42
• 3.3.2 網格質量評價標準42
• 3.4 混流式水輪機各過流部件網格生成42-46
• 3.4.1 蝸殼導葉的網格劃分42-43
• 3.4.2 轉輪的網格劃分43-44
• 3.4.3 尾水管網格劃分44-46
• 4 改造前后的水輪機內部流動計算及性能分析46-67
• 4.1 水輪機增容改造方案46-49
• 4.1.1 原型水輪機主要技術參數46
• 4.1.2 混流式水輪機增容改造方案46-49
• 4.1.3 HL638-WJ-84水輪機流場計算工況點的選取49
• 4.2 改造前后轉輪葉片計算結果對比分析49-55
• 4.2.1 改造前后葉片工作面與背面的壓力分布49-52
• 4.2.2 改造前后葉片工作面與背面的速度分布52-55
• 4.3 改造前后蝸殼及導水機構計算結果對比分析55-58
• 4.4 改造前后水輪機尾水管計算結果對比分析58-62
• 4.4.1 改造前后水輪機尾水管壓力分布及速度分布58-61
• 4.4.2 改造前后水輪機尾水管流線分布61-62
• 4.5 改造前后水輪機性能對比62-65
• 4.6 本章小結65-67
• 結論與展望67-69
• 一、結論67-68
• 二、不足與展望68-69
• 參考文獻69-73
• 致謝73-74
• 附錄A 攻讀學位期間所發(fā)表的學位論文目錄74

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本文編號：690523