混流式水轮机

混流式水轮机结构简单，主要部件包括蜗壳、座环、导水机构、顶盖、转轮、主轴、导轴承(见水轮机导轴承)、底环、尾水管等，见图1，图中同时标示出水流流向。蜗壳是引水部件，形似蜗牛壳体，一般为金属材料制成，圆形断面。座环置于蜗壳和导叶之间，由上环、下环和若干立柱组成，与蜗壳直接连接;立柱呈翼形，不能转动，亦称为固定导叶。导水机构由活动导叶、调速环、拐臂、连杆等部件组成。转轮与主轴(见水轮机主轴)直接连接，是该类型水轮机的转动部件，转轮由上冠、下环、泄水锥和若干固定式叶片组成，其外形和各组成部分的配合尺寸根据其使用的水头不同而有所不同。尾水管是将转轮出口的水流引向下游的水轮机泄水部件，一般为弯肘形，小型水轮机常用直锥形尾水管 。

混流式水轮机结构紧凑，效率较高，能适应很宽的水头范围，是目前世界各国广泛采用的水轮机型式之一。当水流经过这种水轮机工作轮时，它以辐向进入、轴向流出 ，所以也称为辐向轴流式水轮机。

它适用于水头自20米直到700米的范围内，机构简单，运行稳定，并且效率高，但它一般是用在中水头范围内（50米至400米）。单机出力从几十千瓦到几十万千瓦。目前这种水轮机最大出力已经超过70万千瓦。是一种运用最广泛的一种水轮机。我国单机容量700兆瓦机组在三峡投入运行，向家坝采用800兆瓦混流式机组 。

2016年4月25日，《1000MW级混流式水轮机技术导则》发布。

2016年11月1日，《1000MW级混流式水轮机技术导则》实施。

前言

第1章 绪论 1

1.1 混流式水轮机概述 1

1.2 混流式水轮机的应用与研究现状 1

1.2.1 应用现状 1

1.2.2 研究现状 2

1.3 水轮机数值模拟 11

第2章 数值模拟计算理论 14

2.1 计算流体动力学概述 14

2.2 流体流动控制方程 15

2.2.1 连续方程 15

2.2.2 动量方程 16

2.2.3 能量方程 17

2.3 湍流模型 18

2.3.1 标准k-ε模型 18

2.3.2 重整化群k-ε模型 19

2.3.3 剪切压力传输模型 19

2.4 有限元理论 19

2.5 模态分析理论 20

2.6 流固耦合数学模型 21

2.7 尾水管涡带基础理论 21

2.8 固液两相流控制方程 22

2.9 飞逸工况控制方程 22

2.10 空化性能预估方程 23

2.11 本章小结 24

第3章 HL160-LJ-25型水轮机内部流动数值分析与叶片优化 25

3.1 基本参数 25

3.2 过流部件几何模型的建立 25

3.3 计算域网格划分 27

3.3.1 网格划分方法 27

3.3.2 网格划分过程 28

3.3.3 网格质量检查及提高 29

3.3.4 流动计算域网格模型 30

3.4 内部流动数值计算与分析 32

3.4.1 内部流动数值计算概述 32

3.4.2 内部流动数值计算 32

3.4.3 全流道计算结果分析 34

3.5 转轮结构静力分析 46

3.5.1 网格划分与载荷施加 46

3.5.2 静力计算及分析 48

3.6 转轮叶片的优化 51

3.6.1 设计工况下叶片的水力特性优化 51

3.6.2 叶片的适应性计算 52

3.6.3 水轮机的能量性能计算 54

3.7 本章小结 57

第4章 基于双向流固耦合的HL259型水轮机转轮特性分析 58

4.1 全流道模型的建立及网格划分 58

4.1.1 转轮域模型 58

4.1.2 蜗壳流体域建模及网格划分 60

4.1.3 导水机构模型建立与网格划分 62

4.1.4 尾水管流体域建模 63

4.1.5 水轮机内部流体各计算域及其网格 64

4.2 转轮特性数值分析的两种计算方法 65

4.2.1 两种数值算法简介 65

4.2.2 流固耦合数据传递模型的建立 65

4.2.3 非定常流场模拟及流固耦合计算 66

4.2.4 采用两种数值模拟方法计算转轮特性的结果分析 69

4.3 基于双向流固耦合算法的转轮特性分析 71

4.3.1 流场分布情况分析 71

4.3.2 转轮叶片力学特性分析 74

4.3.3 两种数值计算方法的转矩比较与分析 79

4.4 本章小结 79

第5章 HL240型水轮机固液两相流动与飞逸工况特性分析 81

5.1 模型建立 81

5.1.1 建立三维实体模型 81

5.1.2 网格划分 83

5.2 固液两相流动模拟与磨损预估 85

5.2.1 固液两相流模拟计算 85

5.2.2 能量特性分析 86

5.2.3 过流部件磨损分析 88

5.3 飞逸工况特性分析 95

5.3.1 飞逸工况模拟实验 95

5.3.2 转轮叶片特性分析 96

5.3.3 尾水管动力特性分析 102

5.4 本章小结 106

第6章 HLA520型水轮机长短叶片转轮性能分析 107

6.1 模型建立与网格划分 107

6.1.1 基本设计参数 107

6.1.2 计算域模型 107

6.2 能量特性计算与分析 113

6.2.1 数值计算 113

6.2.2 能量特性分析 114

6.3 空化特性分析 125

6.3.1 空化现象概述 125

6.3.2 水轮机中空化类型 125

6.3.3 水轮机中空化的危害 126

6.3.4 空化和空蚀性能分析 126

6.4 本章小结 135

参考文献 136 2100433B

大型乃至巨型水轮机组，其尾水管引起的水力振动对其稳定性影响越来越大，但对其内部的运动规律，尤其是在非稳态工况下，水轮机尾水管涡带、压力脉动等水力现象及其诱发机组的振动机理还有许多不明确处，因此，对大型混流式水轮机尾水管水力振动进行研究成为目前亟待解决的迫切问题。 本项目通过开展大型混流式水轮机组不同工况下尾水管水力振动试验及对水轮机内部进行非定常并行数值模拟等研究手段对大型混流式水轮机瞬态过程现象进行深入分析研究，并得到以下成果： (1)推导建立了具有角加速度的旋转参考坐标系下的控制方程，结合转轮旋转平衡方程，给出了相应新的源项形式。构建了混流式水轮机三维非稳态湍流数值模拟的程序算法。 (2)通过对水轮机以尾水管涡带运动的分析，认为其运动的主体为螺旋涡管运动，其影响范围随工况的不同而不同。且旋涡在演化过程中，其涡核位置随机变化，但最终稳定在一个特定位置。且尾水管内旋涡能量集中区域，高涡量区主要存在于靠近壁面半径的前1/3处，并且随时间变化围绕横截面中心运动。 (3)进行了模型水轮机的压力脉动试验。结果表明：保持水头、单位转速一定，只改变导叶开度，压力脉动幅值随导叶开度的增大而减小。实测的3种开度工况下，压力脉动成分均含涡带频率、旋转频率及倍频。当保持水头、开度等一定，而只改变单位转速条件下，压力脉动相对幅值随单位转速的减小而减小，压力脉动成分只以旋转频率和其倍频为主，实测的数据与理论吻合较好。 (4)设计出1种含有涡流发生器的新型试验尾水管，对涡流发生器的机理进行一定的研究。运用壁面函数法建立全流道结构网格，用SST模型对其进行数值计算，分别以涡产生截面和涡开始发展截面作为涡流发生器叶片的安装截面，计算出尾水管各工况下的能量恢复系数，找出了涡流发生器的最优安装方法． 同时，本项目成果荣获大禹水利科学技术奖二等奖一项，发表SCI、EI论文5篇，其它学术论文共13篇 ，申请专利5项，指导博士后1名，博士2名，硕士3名。成果推广后，社会经济效益显著。