CN111581870B - 一种用于轴流转浆式水轮机固定导叶设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于轴流转浆式水轮机固定导叶设计方法，包括如下步骤：1）获得非蜗形区域流线分布情况，找出引发脱流、叶道涡的固定导叶；2）去掉固定导叶，获得该非蜗形区域的流线分布；3）根据非蜗形区域的流线分布且结合活动导叶分布情况，确定新固定导叶安放位置、数量；4）根据新固定导叶安放位置区域的流线，绘制出新固定导叶骨线，再按强度要求加厚成流线型叶形，得到新固定导叶；5）将新固定导叶加入流道中，进行验证。本发明具有方法简明、操作方便的优点，采用它不但很好解决了由于流量大幅增加引起非蜗形固定导叶与流道不匹配带来的导叶区域脱流、叶道涡等非正常水力问题，而且消除了机组异响、机组振动问题。

Description

一种用于轴流转浆式水轮机固定导叶设计方法
技术领域
本发明涉及一种轴流转浆式水轮机，特别是一种用于轴流转浆式水轮机固定导叶设计方法。
背景技术
一些20世纪90年代前安装有轴流转浆式水轮机的电站，在通过更换导水机构及转轮手段达到增容提效时，要求机组在额定水头保持不变情况下，大幅增加额定流量，达到机组增容20%左右的目的。随着额定流量的大幅增加，会造成非蜗形固定导叶翼型及分布位置都偏离理想状况，出现脱流、叶道涡等情况，破坏转轮进口周期对称入流条件，造成机组振动，噪音异响，影响机组安全稳定运行，因此，有必要对非蜗形固定导叶进行设计、更换。非蜗形固定导叶的设计，传统方法是将蜗壳尾部至蜗壳进口断面非蜗形区域的进口圆周速度VU近似按直线规律变化，来设计布置固定导叶的，而轴流转浆式水轮机增容提效项目，座环等埋入部件原则上不能大动，只能对少数固定导叶（主要为非蜗形区域）进行修型、更换，而新旧固定导叶的共存将破坏圆周速度VU的直线变化规律，若按传统方法设计兼顾不到原导叶，可能带来新问题。
发明内容
本发明的目的就是提供一种能有效使新旧固定导叶共存的用于轴流转浆式水轮机固定导叶设计方法。
本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，一种用于轴流转浆式水轮机固定导叶设计方法，所述方法包括如下步骤：
1）利用CFD仿真软件获得非蜗形区域流线分布情况，找出引发脱流、叶道涡的固定导叶；
2）去掉引发脱流、叶道涡的固定导叶，再次利用CFD仿真软件获得该非蜗形区域的流线分布；
3）根据非蜗形区域的流线分布且结合活动导叶分布情况，确定新固定导叶安放位置、数量；
4）根据新固定导叶安放位置区域的流线，绘制出新固定导叶骨线，再按强度要求加厚成流线型叶形，得到新固定导叶；
5）将新固定导叶加入流道中，再次利用CFD仿真软件进行验证。
其中，在所述步骤1）中，利用CFD仿真软件对水轮机全流道额定工况下进行三维几何建模，其中，过流部件包含蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮和尾水管；利用ANSYS ICEM软件对该几何模型进行网格划分，各个过流部件网格进行无关性检验；其中，CFD软件采用ANSYS CFX，数值计算采用Segregated分离式求解器、Steady定常流动、SST湍流模型，其定解条件按流量进口、平均静压出口、无滑移壁面、静动交界面按Frozen Rotor，得到该水轮机额定工况时的数值仿真结果。
其中，在所述步骤2）中，在ANSYS CFX软件中截取蜗壳、固定导叶、活动导叶的中间水平截平面，得到该截平面上的流线分布，包括非蜗形区域流线分布情况；
当非蜗形区域出现叶道涡，将固定导叶从模型中删除，重新计算并截取截面得到新的非蜗形区域的流线分布情况。
其中，在所述步骤3）中，还包括如下步骤：
（1）安放位置确定-固定导叶安放位置以固定导叶出口边与活动导叶进水边相错2.5°～4°，且固定导叶位于活动导叶背面方向；
（2）固定导叶数量确定-固定导叶数量按一个固定导叶对应一个活动导叶且兼顾未更换原固定导叶的原则。
其中，在所述步骤4）中，还包括如下步骤：
翼型确定-新固定导叶外圆Da和内圆Db保持原样不变；新固定导叶进口安放角αi确定方法为：以非蜗形区域相应位置上的流线入流角δ，加上冲角△，作为固定导叶进口安放角αi即
αi=δ+△
固定导叶出口角度αo取与额定工况时活动导叶入流角αc相同，即
αo=αc
固定导叶进口安放角αi和出口角度αo确定后，再以非蜗形区域相应位置上的流线作为参考线，由此绘制出固定导叶骨线。
由于采用了上述技术方案，本发明具有方法简明、操作方便、成本低廉的优点，采用它不但很好解决了由于流量大幅增加引起非蜗形固定导叶与流道不匹配带来的导叶区域脱流、叶道涡等非正常水力问题，而且消除了机组异响、机组振动问题，并且为轴流转浆式水轮机增容提效时非蜗形固定导叶的水力设计提供理论支持。
附图说明
本发明的附图说明如下：
图1为本发明的非蜗形区域的流线分布；
图2为本发明删除固定导叶非蜗形区域流线分布示意；
图3为本发明新固定导叶安放位置、数量确定示意图；
图4本发明的新固定导叶骨线绘制示意图；
图5为本发明加入新固定导叶后非蜗形区域流线分布示意。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，但本发明并不局限于这些实施方式，任何在本实施例基本精神上的改进或替代，仍属于本发明权利要求所要求保护的范围。
实施例1：如图1、2、3、4、5所示，一种用于轴流转浆式水轮机固定导叶设计方法，所述方法包括如下步骤：
1）利用CFD仿真软件获得非蜗形区域流线分布情况，找出引发脱流、叶道涡1的固定导叶2；
2）去掉引发脱流、叶道涡的固定导叶2，再次利用CFD仿真软件获得该非蜗形区域的流线分布3；
3）根据非蜗形区域的流线分布3且结合活动导叶分布4情况，确定新固定导叶安放位置5、数量；
4）根据新固定导叶安放位置区域的流线，绘制出新固定导叶骨线6，再按强度要求加厚成流线型叶形，得到新固定导叶7；
5）将新固定导叶7加入流道中，再次利用CFD仿真软件进行验证。
进一步，在所述步骤1）中，利用CFD仿真软件对水轮机全流道额定工况下进行三维几何建模，其中，过流部件包含蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮和尾水管；利用ANSYS ICEM软件对该几何模型进行网格划分，各个过流部件网格进行无关性检验；其中，CFD软件采用ANSYS CFX，数值计算采用Segregated分离式求解器、Steady定常流动、SST湍流模型，其定解条件按流量进口、平均静压出口、无滑移壁面、静动交界面按Frozen Rotor，得到该水轮机额定工况时的数值仿真结果。
进一步描述，在所述步骤2）中，在ANSYS CFX软件中截取蜗壳、固定导叶、活动导叶的中间截平面，在进行水平截面截取，得到非蜗形区域流线分布情况；
当非蜗形区域出现叶道涡，将固定导叶从模型中删除，重新截取截面得到新的非蜗形区域的流线分布情况。
进一步描述，在所述步骤3）中，还包括如下步骤：
（1）安放位置确定-固定导叶安放位置以固定导叶出口边与活动导叶进水边相错2.5°～4°，且固定导叶位于活动导叶背面方向；
（2）固定导叶数量确定-固定导叶数量按一个固定导叶对应一个活动导叶且兼顾未更换原固定导叶的原则；
其中，在所述步骤4）中，还包括如下步骤：
翼型确定-新固定导叶外圆Da和内圆Db保持原样不变；新固定导叶进口安放角αi确定方法为：以非蜗形区域相应位置上的流线入流角δ，加上冲角△，作为固定导叶进口安放角αi即
αi=δ+△
固定导叶出口角度αo取与额定工况时活动导叶入流角αc相同，即
αo=αc
固定导叶进口安放角αi和出口角度αo确定后，再以非蜗形区域相应位置上的流线作为参考线，由此绘制出固定导叶骨线。

Claims (1)

1.一种用于轴流转浆式水轮机固定导叶设计方法，其特征是，所述方法包括如下步骤：
1）利用CFD仿真软件获得非蜗形区域流线分布情况，找出引发脱流、叶道涡的固定导叶；利用CFD仿真软件对水轮机全流道额定工况下进行三维几何建模，其中，过流部件包含蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮和尾水管；利用ANSYS ICEM软件对几何模型进行网格划分，各个过流部件网格进行无关性检验；其中，CFD软件采用ANSYS CFX，数值计算采用Segregated分离式求解器、Steady定常流动、SST湍流模型，其定解条件按流量进口、平均静压出口、无滑移壁面、静动交界面按Frozen Rotor，得到该水轮机额定工况时的数值仿真结果；
2）去掉引发脱流、叶道涡的固定导叶，再次利用CFD仿真软件获得该非蜗形区域的流线分布；在ANSYS CFX软件中截取蜗壳、固定导叶、活动导叶的中间水平截平面，得到该截平面上的流线分布，包括非蜗形区域流线分布情况；
当非蜗形区域出现叶道涡，将固定导叶从模型中删除，重新计算并截取截面得到新的非蜗形区域的流线分布情况；
3）根据非蜗形区域的流线分布且结合活动导叶分布情况，确定新固定导叶安放位置、数量；包括如下步骤：
（1）安放位置确定-固定导叶安放位置以固定导叶出口边与活动导叶进水边相错2.5°～4°，且固定导叶位于活动导叶背面方向；
（2）固定导叶数量确定-固定导叶数量按一个固定导叶对应一个活动导叶且兼顾未更换原固定导叶的原则；
4）根据新固定导叶安放位置区域的流线，绘制出新固定导叶骨线，再按强度要求加厚成流线型叶形，得到新固定导叶；包括如下步骤：
翼型确定-新固定导叶外圆Da和内圆Db保持原样不变；新固定导叶进口安放角αi确定方法为：以非蜗形区域相应位置上的流线入流角δ，加上冲角△，作为固定导叶进口安放角αi即
αi=δ+△
固定导叶出口角度αo取与额定工况时活动导叶入流角αc相同，即
αo=αc
固定导叶进口安放角αi和出口角度αo确定后，再以非蜗形区域相应位置上的流线作为参考线，由此绘制出固定导叶骨线；
5）将新固定导叶加入流道中，再次利用CFD仿真软件进行验证。
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