高水頭混流式水輪機(jī)飛逸工況流動(dòng)特性數(shù)值研究.pdf

1、在飛逸發(fā)生時(shí)，水輪機(jī)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(jī)組將承受非常大的附加質(zhì)量力，有可能造成機(jī)組結(jié)構(gòu)破壞。與此同時(shí)，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(dòng)，會(huì)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(jī)Francis99為研究對(duì)象，針對(duì)數(shù)值模擬方法和飛逸工況流動(dòng)特性兩方面進(jìn)行了研究。主要結(jié)論如下：
　　首先對(duì)Francis99三個(gè)特征工況進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，將數(shù)值結(jié)果與實(shí)

2、驗(yàn)值進(jìn)行了對(duì)比。計(jì)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(jí)的湍流模型（SAS-SST模型）。另外從節(jié)省計(jì)算資源的角度進(jìn)行探索，應(yīng)用TBR（TransientBladeRow）模型中的PT方法和FT方法對(duì)活動(dòng)導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪分別進(jìn)行了單流道和雙流道非穩(wěn)態(tài)計(jì)算。從對(duì)水力效率、各監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力均值、尾水管截面速度以及壓力脈動(dòng)頻域特性等結(jié)果的對(duì)比分析中可以看出，應(yīng)用不同湍流模型進(jìn)行計(jì)算，可從不同角度影響計(jì)算結(jié)果，但都得

3、出相近于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的結(jié)果。采用不同湍流模型對(duì)計(jì)算結(jié)果有不同的影響，但都可以得到與實(shí)驗(yàn)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(jì)算相當(dāng)?shù)慕Y(jié)果，由于該方法僅需兩個(gè)流道的計(jì)算模型，因此可以在節(jié)省計(jì)算資源的同時(shí)采用更加精細(xì)合理的網(wǎng)格。
　　對(duì)數(shù)值模擬方法的對(duì)比分析，使得所采用數(shù)值方法的準(zhǔn)確性得到驗(yàn)證。為了在保證計(jì)算精度的同時(shí)節(jié)約計(jì)算資源、減少計(jì)算耗時(shí)，采用k-ωSST湍流模型計(jì)算了飛逸工況內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律。重點(diǎn)關(guān)注了轉(zhuǎn)輪葉片表面壓力分布、

4、轉(zhuǎn)輪域內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)、各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處壓力脈動(dòng)時(shí)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(jìn)口邊背面靠近上冠及下環(huán)處且呈對(duì)稱分布，最低壓力出現(xiàn)在進(jìn)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(jìn)入轉(zhuǎn)輪，進(jìn)出口速度大小變化不明顯；水流在轉(zhuǎn)輪流道內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)以一個(gè)長葉片和一個(gè)短葉片為周期，即每間隔一個(gè)流道內(nèi)的流動(dòng)狀況相同；飛逸工況下無葉區(qū)壓力脈動(dòng)幅值明顯高于正常工況，在導(dǎo)葉開度為3.91°及9