水斗式水輪機的水力設計

1、2. 水斗式水輪機的水力設計本章對沖擊式水輪機水斗內的流動進行了經典的分析，在實驗室的測量結果的例子中也提到了，包括現(xiàn)代cfd分析中對水斗內流動的可能出現(xiàn)的不確定性的討論。2.1. 水斗式水輪機水斗內流動的圖形化分析 當下沖擊式水輪機水斗的水力設計是基于非平穩(wěn)自由面的cfd分析。此方法在不斷改進中，但它仍然需要一段很長的路要走來得到正確的解決方案，而且模型試驗仍是目前制造高效率的水斗的唯一的辦法。值得感興趣的是了解到94年前沖擊式水輪機式水斗的非平穩(wěn)流的流動分析是在圖形分析方法的基礎上進行的，并由挪威科技大學研發(fā)成功的。這是h.christie在碩士期間開發(fā)的方法，他后來任上述的水輪機制造公司

2、kvaerner首席官。 這個分析的原理是基于一個表面微粒的加速度表面必須垂直于水斗內的水面，然后，此方法的使用者_必須首先繪制水斗內假定的移動表面符合假設的粒子路徑，一步一步地及時使用小的增量得射流越過水斗，直至射流所切取的部分沖出水斗。圖7. 取自圖形化分析的動態(tài)水面在某個時間點“凍結”，還顯示出了水面上的粒子徑。此分析的目的是找到水斗的一個最優(yōu)的水力形狀如出口角度和水的射流進口部分，以免產生分流水和擊中相鄰水斗背面?zhèn)鹊乃?。關于沖擊式水輪機水斗的cfd流動分析工作在2中有提到，但在本文中不會介紹。2.2 . 沖擊式水輪機模型試驗測量結果目前cfd分析得到廣泛使用，但對受尖端引起的中心尾流和

3、氣流損失引起的打開面影響的噴嘴內的速度分布的分析是不正確的3。如圖8所示，由挪威科技大學的微型畢托管測量噴嘴內的速度分布。因為射流的速度分布的改變取決于噴嘴的距離，沒有正確的射流速度分布的cfd分析也將是不正確的。 圖8上面的入口點到水斗的射流速度分布的測量值（左），首次觸摸到射流的9/100秒后，模型水輪機水斗內的水流頻閃照片（右）(hn=100m) 出于對cfd分析的控制和改進，水斗的表面壓力也已被測量，測量結果表示于圖9。/參考.3 / 例如2000年，挪威科技大學做的關于沖擊式水輪機水斗中的測量壓力的實驗，是由當時還是碩士的anna luise martinsen完成的，如圖9所示。為

4、了避免流動擾動，要通過壓力傳感器在水斗的表面平齊位置進行仔細定位。應該指出的是第一壓力從進入的射流上的點2和接下來預期的點4處上升。此外有趣的是，點（4），（3），（1）和射流核心附近的點（6）處產生最高壓力，與此同時，射流側的點（5）和（2）處產生了較低的壓力。圖9.運行在100 m凈水頭處測得的模型水輪機的沖擊式水斗的表面壓力從實驗測試和呈現(xiàn)的圖形化分析建立了水斗形狀并在實驗室進行調整，40年前即實現(xiàn)效率接近92。目前仍然需要對模型水輪機進行調整，以期實現(xiàn)模型水輪機的效率高于92.5，原型機高于92以上。原因是與模型機相比，原型機效率有所降低。作者認為該模型水輪機是在比原型機低的水頭進行實

5、驗，由表面破壞和泡沫形成的射流損失在原型機中有所增加。由于規(guī)模效應，對于水斗式水輪機來說，很難建立由模型機到原型機效率的規(guī)范。因為舊規(guī)范不正確，國際電工委員會仍在進行工作，制定以降低由模型機到原型機效率的規(guī)模的新規(guī)范。3.結論對于混流式轉輪特別是高比轉速轉輪來說，設計壓力平衡式葉片是非常重要的。而對于低比轉速轉輪來說，對由葉片通過導葉的壓力波的進一步研究是很重要的，這是為了減少壓力脈動，避免噪音和葉片開裂。對于沖擊式轉輪來說，重要的是要完善建立在正確的射流模型速度分布基礎上的cfd分析。研究的基礎是實驗室里對速度和壓力分布進一步的工作研究。參考文獻1 brekke he 2006 safety

6、 and life time of hydraulic turbines 23th iahr sympo.yokohama,japan, 2006)2hana m 1999 numerical analysis of non-stationary free surface flow in a pelton bucket phd dissertation (ntnu trondheim, norway) (ref. itev-rapport) p023berntsen g s 2003 numerical analysis of the two-phase pelton jet flow using a single-phase model and analytical discussion of the pelton jet surface break up phenomen