CN106485013B - 一种反击式水轮机及其活动导叶及其补气孔设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种反击式水轮机活动导叶的补气孔设计方法，及反击式水轮机及其活动导叶，其中补气孔设计方法包括：对水轮机的活动导叶和转轮建立全模拟的数学模型；对建立的活动导叶和转轮的数学模型分别进行网格划分；将划分好的活动导叶和转轮的网格导入流体力学计算软件，得到求解域的流动特性的计算结果；对计算结果进行压力分布分析，从而确定活动导叶尾部补气孔位置；结合对计算结果的分析，初步设定补气孔的尺寸，模拟补气孔减蚀效果，得到补气孔尺寸。经过经验公式总结，可以更加精确地控制补气孔掺气浓度，从而有效地减少反击式水轮机转轮内部的空蚀破坏程度。解决了水轮机防空蚀补气结构设计不合理，加工困难、防空蚀效果差的问题。

Description

一种反击式水轮机及其活动导叶及其补气孔设计方法
技术领域
本发明涉及水电设备技术领域，更具体地说，涉及一种反击式水轮机活动导叶的补气孔设计方法，还涉及一种反击式水轮机的活动导叶，还涉及一种反击式水轮机。
背景技术
水力发电是指水流通过水轮机，把自身的势能和动能转化为旋转机械能，带动发电机旋转，从而将水能转化为电能，其中反击式水轮机是目前应用最为广泛的水轮机，主要包括了混流式水轮机与轴流式水轮机两种类型。
而水轮机的转轮是能量转换的主要部件，当转轮叶片上某一点压力下降到当时液体温度下的汽化压力时，将在叶片上产生翼型空化和空蚀，这是水轮机的主要破坏形式，其后果主要是引起水轮机水力性能参数恶化、机械振动和噪音，进而影响水轮机的安全运行。轴流式水轮机转轮的翼型空蚀主要发生在叶片背面下部出水边部位；混流式水轮机转轮的翼型空蚀破坏主要位于转轮叶片背面靠近下环出水边的下半部，这种现象使得水轮机检修周期缩短，从而导致水力发电机组整体性能的下降。
目前，存在一些通过向水轮机运行过程中注入气体的方法以便将空蚀的现象减弱延长水轮机叶片等部位的使用寿命，然而发明人发现市面上的此类设计在实施上还存在一些问题，主要表现在：
首先，大多设计仅能对活动导叶进行保护，应用范围单一；此外考虑到活动导叶的结构尺寸问题，某些通过设置多个补气孔实现补气的设计方案，存在工艺复杂，加工难度大的问题。
其次，仅凭经验设置充气补气的位置，设计盲目程度较大，空化区域的位置判断不准确，减弱空蚀的效果较差；水轮机的结构多样，现有设计基本只能针对某一种水轮机见效，适用性差应用范围狭窄；补气操作较为粗放，难以准确控制补气中的各项指标对空蚀严重的目标区域进行专门的补气。
综上所述，如何有效地解决现有的反击式水轮机防空蚀补气结构设计不合理，造成加工困难，防空蚀效果差等技术问题，是目前本领域技术人员急需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的第一个目的在于提供一种反击式水轮机活动导叶的补气孔设计方法，该补气孔设计方法可以有效地解决现有的反击式水轮机防空蚀补气结构设计不合理，造成加工困难，防空蚀效果差等技术问题，本发明的第二个目的是提供一种采用上述补气孔设计方法的设计的反击式水轮机的活动导叶，本发明的第三个目的是提供一种包括上述反击式水轮机的活动导叶的反击式水轮机。
为了达到上述第一个目的，本发明提供如下技术方案：
一种反击式水轮机活动导叶的补气孔设计方法，包括：
步骤一：对水轮机的活动导叶和转轮建立全模拟的数学模型；
步骤二：对建立的活动导叶和转轮的数学模型分别进行网格划分，网格划分时采用块结构化网格；
步骤三：将划分好的活动导叶和转轮的网格导入流体力学计算软件，设置计算域的计算方程、边界条件和相关计算参数，采用有限体积法求解流动方程，得到求解域的流动特性的计算结果；
步骤四：对所述计算结果进行压力分布分析，确定所述反击式水轮机转轮内部空化区域及经过活动导叶到该转轮空化区域的流线，结合空化区域位置及流线分析反求，从而确定活动导叶尾部所述补气孔垂直方向上距离活动导叶底边的高度；
步骤五：结合对所述计算结果的分析，初步设定所述补气孔的尺寸，并利用所述流体动力学计算软件对确定的所述补气孔的位置及尺寸的设计进行模拟，得到模拟结果；
步骤六：判断所述模拟结果是否达到减少空化破化的预期效果，如果是，则记录有关所述补气孔的相关参数结束；如果不能，则对所述补气孔的尺寸修改，重新进行如步骤五的模拟，直到获得预期效果并记录有关所述补气孔的相关参数结束。
优选的，上述补气孔设计方法中，所述步骤三中的计算方程包括：
混合流体相方程，
其中，ρ为空泡相和水流相形成的混合流体质量密度，ν为混合流体的速度矢量；
空泡相方程，
其中，f为空泡相的质量组分，Re为水蒸气的生成率，Rc为水蒸气的凝结率；
动量方程，
其中，p为静压力，μ为分子黏性系数，μt为湍流黏性系数；
其中，
优选的，上述补气孔设计方法中，所述步骤三中的边界条件包括：
进口边界条件，给定所述进口处的绝对速度，所述绝对速度由所述水轮机的设计工况确定，压力在进口截面上设定为均匀分布；
出口边界条件，出口处速度由上游网格点的速度推导得出，并根据质量守恒定律按比例修正，出口处除所述出口处速度的其他相关量取上游一层网格点的值；
固壁边界条件，固壁上速度满足无滑移条件，压力取为第二类边界条件，湍流壁面采用壁面函数边界条件；
气泡相边界条件，空泡相进口速度取第一类边界条件，出口速度取第二类边界条件，在壁面上空泡速度沿法向梯度为零，空蚀计算初始流场的空泡体积组分赋为零。
优选的，上述补气孔设计方法中，所述步骤三中的相关计算参数包括：
计算步长取0.005，收敛残值取0.00005。
优选的，上述补气孔设计方法中，所述步骤五中初步设定所述补气孔的尺寸包括：
初步计算得到所述补气孔的孔径d2，
其中，P1为补气压力，P2是活动导叶下部的补气孔所在位置的液面静压，d2是活动导叶下部的补气孔直径，C为掺气浓度，Qa为气体流量，Qw为水流量，K是流出系数，ρ是介质密度，ε是介质的膨胀系数；
其中，P1、d1为给定值，Qw、P2均可使用仪器测得；
其中，掺气浓度C与流量的关系为，当掺气浓度以得到一缕气泡为准时，C可视为已知，从而得到Qa的值。
本发明提供的反击式水轮机活动导叶的补气孔设计方法，包括：
步骤一：对水轮机的活动导叶和转轮建立全模拟的数学模型；
步骤二：对建立的活动导叶和转轮的数学模型分别进行网格划分，网格划分时采用块结构化网格；
步骤三：将划分好的活动导叶和转轮的网格导入流体力学计算软件，设置计算域的计算方程、边界条件和相关计算参数，采用有限体积法求解流动方程，得到求解域的流动特性的计算结果；
步骤四：对所述计算结果进行压力分布分析，确定所述反击式水轮机转轮内部空化区域及经过活动导叶到该转轮空化区域的流线，结合空化区域位置及流线分析反求，从而确定活动导叶尾部所述补气孔垂直方向上距离活动导叶底边的高度；
步骤五：结合对所述计算结果的分析，初步设定所述补气孔的尺寸，并利用所述流体动力学计算软件对确定的所述补气孔的位置及尺寸的设计进行模拟，得到模拟结果；
步骤六：判断所述模拟结果是否达到减少空化破化的预期效果，如果是，则记录有关所述补气孔的相关参数结束；如果不能，则对所述补气孔的尺寸修改，重新进行如步骤五的模拟，直到获得预期效果并记录有关所述补气孔的相关参数结束。
采用本发明提供的这种补气孔设计方法，首先，利用流体力学计算软件进行计算并通过计算结果进行数值模拟分析，准确预测反击式水轮机叶轮内的空化区域位置，不仅解决了现有技术仅凭经验设计补气结构，目标空化区域位置确定的精度不高的问题，而且解决了现有技术目标范围相对单一的问题，只需采用本方法建立不同的模型进行运算分析即可得到不同种类的水轮机的具体补气设计；其次，本发明利用“掺气减蚀”原理，通过仅在活动导叶尾部打一个补气孔，并通过其进行补气，结构简单，易操作。最后，经过归纳的经验公式，可得到准确的补气压差，可以更加精确地控制补气孔掺气浓度，从而有效地减少反击式水轮机转轮内部的空蚀破坏程度。综上所述，本发明提供的技术方案能够有效地解决现有的反击式水轮机防空蚀补气结构设计不合理，造成加工困难，防空蚀效果差等技术问题。
为了达到上述第二个目的，本发明还提供了一种反击式水轮机的活动导叶，该活动导叶设置有补气孔和对所述补气孔供气的进气孔，其中补气孔的位置及尺寸为根据上述任一种补气孔设计方法得到的。由于上述的补气孔设计方法具有上述技术效果，采用该补气孔设计方法的设计得到的反击式水轮机的活动导叶也应具有相应的技术效果。
优选的，上述反击式水轮机的活动导叶中，所述补气孔的孔径d2的尺寸范围是6mm-8mm，包括端点值。
优选的，上述反击式水轮机的活动导叶中，所述进气孔的孔径d1的尺寸范围是3mm-6mm，包括端点值。
优选的，上述反击式水轮机的活动导叶中，所述活动导叶内部设置中空腔体，所述进气孔及所述补气孔通过所述中空腔体连通。
为了达到上述第三个目的，本发明还提供了一种反击式水轮机，该反击式水轮机包括上述任意一种反击式水轮机的活动导叶，由于上述的反击式水轮机的活动导叶具有上述技术效果，采用该反击式水轮机的活动导叶的反击式水轮机也应具有相应的技术效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的反击式水轮机活动导叶的补气孔设计方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的反击式水轮机活动导叶的补气孔设计方法中空化区域及活动导叶间流线的示意图；
图3为本发明实施例提供的另一种反击式水轮机活动导叶的补气孔设计方法中空化区域及活动导叶间流线的示意图；
图4为本发明实施例提供的反击式水轮机活动导叶的结构示意图；
图5为图4中的反击式水轮机活动导叶从B-B位置得到的剖面结构示意图。
附图中标记如下：
活动导叶1、补气孔1-1、进气孔1-2、中空腔体1-3、空化区域2、流线3。
具体实施方式
本发明实施例公开了一种反击式水轮机活动导叶的补气孔设计方法，以解决现有的反击式水轮机防空蚀补气结构设计不合理，造成加工困难，防空蚀效果差等技术问题。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-图3，图1为本发明实施例提供的反击式水轮机活动导叶的补气孔设计方法的流程示意图；图2为本发明实施例提供的反击式水轮机活动导叶的补气孔设计方法中空化区域及活动导叶间流线的示意图；图3为本发明实施例提供的另一种反击式水轮机活动导叶的补气孔设计方法中空化区域及活动导叶间流线的示意图。
本发明提供的反击式水轮机活动导叶的补气孔设计方法，包括：
步骤一S01：对水轮机的活动导叶1和转轮建立全模拟的数学模型；
步骤二S02：对建立的活动导叶1和转轮的数学模型分别进行网格划分，网格划分时采用块结构化网格；
步骤三S03：将划分好的活动导叶1和转轮的网格导入流体力学计算软件，设置计算域的计算方程、边界条件和相关计算参数，采用有限体积法求解流动方程，得到求解域的流动特性的计算结果；
步骤四S04：对所述计算结果进行压力分布分析，确定所述反击式水轮机转轮内部空化区域2及经过活动导叶1到该转轮空化区域2的流线3，结合空化区域2位置及流线3分析反求，从而确定活动导叶1尾部所述补气孔1-1垂直方向上距离活动导叶1底边的高度；
步骤五S05：结合对所述计算结果的分析，初步设定所述补气孔1-1的尺寸，并利用所述流体动力学计算软件对确定的所述补气孔1-1的位置及尺寸的设计进行模拟，得到模拟结果；
步骤六S06：判断所述模拟结果是否达到减少空化破化的预期效果，如果是，则记录有关所述补气孔1-1的相关参数结束；如果不能，则对所述补气孔1-1的尺寸修改，重新进行如步骤五的模拟，直到获得预期效果并记录有关所述补气孔1-1的相关参数结束。
采用本发明提供的这种补气孔设计方法，首先，利用流体力学计算软件进行计算并通过计算结果进行数值模拟分析，准确预测反击式水轮机叶轮内的空化区域位置，不仅解决了现有技术仅凭经验设计补气结构，目标空化区域位置确定的精度不高的问题，而且解决了现有技术目标范围相对单一的问题，只需采用本方法建立不同的模型进行运算分析即可得到不同种类的水轮机的具体补气设计；其次，本发明利用“掺气减蚀”原理，通过仅在活动导叶尾部打一个补气孔，并通过其进行补气，结构简单，易操作。最后，经过归纳的经验公式，可得到准确的补气压差，可以更加精确地控制补气孔掺气浓度，从而有效地减少反击式水轮机转轮内部的空蚀破坏程度。综上所述，本发明提供的技术方案能够有效地解决现有的反击式水轮机防空蚀补气结构设计不合理，造成加工困难，防空蚀效果差等技术问题。
为进一步优化上述技术方案，在上述实施例的基础上优选的，上述补气孔设计方法中，所述步骤三中的计算方程包括：
混合流体相方程，
其中，ρ为空泡相和水流相形成的混合流体质量密度，ν为混合流体的速度矢量；
空泡相方程，
其中，f为空泡相的质量组分，Re为水蒸气的生成率，Rc为水蒸气的凝结率；
动量方程，
其中，p为静压力，μ为分子黏性系数，μt为湍流黏性系数；
其中，
为进一步优化上述技术方案，在上述实施例的基础上优选的，上述补气孔设计方法中，所述步骤三中的边界条件包括：
进口边界条件，给定所述进口处的绝对速度，所述绝对速度由所述水轮机的设计工况确定，压力在进口截面上设定为均匀分布；
出口边界条件，出口处速度由上游网格点的速度推导得出，并根据质量守恒定律按比例修正，出口处除所述出口处速度的其他相关量取上游一层网格点的值；
固壁边界条件，固壁上速度满足无滑移条件，压力取为第二类边界条件，湍流壁面采用壁面函数边界条件；
气泡相边界条件，空泡相进口速度取第一类边界条件，出口速度取第二类边界条件，在壁面上空泡速度沿法向梯度为零，空蚀计算初始流场的空泡体积组分赋为零。
为进一步优化上述技术方案，在上述实施例的基础上优选的，上述补气孔设计方法中，所述步骤三中的相关计算参数包括：
计算步长取0.005，收敛残值取0.00005。
为进一步优化上述技术方案，在上述实施例的基础上优选的，上述补气孔设计方法中，所述步骤五中初步设定所述补气孔1-1的尺寸包括：
初步计算得到所述补气孔1-1的孔径d2，
其中，P1为补气压力，P2是活动导叶1下部的补气孔1-1所在位置的液面静压，d2是活动导叶1下部的补气孔1-1直径，C为掺气浓度，Qa为气体流量，Qw为水流量，K是流出系数，ρ是介质密度，ε是介质的膨胀系数；
其中，P1、d1为给定值，Qw、P2均可使用仪器测得；
其中，掺气浓度C与流量的关系为，当掺气浓度以得到一缕气泡为准时，C可视为已知，从而得到Qa的值。
请参阅图4、图5，图4为本发明实施例提供的反击式水轮机活动导叶的结构示意图；图5为图4中的反击式水轮机活动导叶从B-B位置得到的剖面结构示意图。
基于上述实施例中提供的补气孔设计方法，本发明还提供了一种反击式水轮机的活动导叶，该活动导叶1设置有补气孔和对所述补气孔供气的进气孔1-2，其中补气孔的位置及尺寸为根据上述实施例中任意一种补气孔设计方法得到。由于该反击式水轮机的活动导叶的设计采用了上述实施例中的补气孔设计方法，所以该反击式水轮机的活动导叶的有益效果请参考上述实施例。
为进一步优化上述技术方案，在上述实施例的基础上优选的，上述反击式水轮机的活动导叶中，所述补气孔1-1的孔径d2的尺寸范围是6mm-8mm，包括端点值。此外，所述进气孔1-2的孔径d1的尺寸范围是3mm-6mm，包括端点值。进气孔及补气孔的孔径是综合考虑活动导叶片的厚度和补气常用气压等基本因素共同确定的。
为进一步优化上述技术方案，在上述实施例的基础上优选的，上述反击式水轮机的活动导叶中，所述活动导叶1内部设置中空腔体1-3，所述进气孔及所述补气孔1-1通过所述中空腔体1-3连通。采用中空腔体的结构实现进气孔与补气孔的连通结构简单，并且该结构也符合常用活动导叶的设计原理，适合本申请技术方案。
基于上述实施例中提供的反击式水轮机的活动导叶，本发明还提供了一种反击式水轮机，该反击式水轮机的活动导叶为上述实施例中任意一种反击式水轮机的活动导叶。由于该反击式水轮机采用了上述实施例中的活动导叶，所以该反击式水轮机的有益效果请参考上述实施例。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种反击式水轮机活动导叶的补气孔设计方法，其特征在于，包括：
步骤一：对水轮机的活动导叶和转轮建立全模拟的数学模型；
步骤二：对建立的活动导叶和转轮的数学模型分别进行网格划分，网格划分时采用块结构化网格；
步骤三：将划分好的活动导叶和转轮的网格导入流体力学计算软件，设置计算域的计算方程、边界条件和相关计算参数，采用有限体积法求解流动方程，得到求解域的流动特性的计算结果；
步骤四：对所述计算结果进行压力分布分析，确定所述反击式水轮机转轮内部空化区域及经过活动导叶到该转轮空化区域的流线，结合空化区域位置及流线分析反求，从而确定活动导叶尾部所述补气孔垂直方向上距离活动导叶底边的高度；
步骤五：结合对所述计算结果的分析，初步设定所述补气孔的尺寸，并利用所述流体力学计算软件对确定的所述补气孔的位置及尺寸的设计进行模拟，得到模拟结果；
步骤六：判断所述模拟结果是否达到减少空化破化的预期效果，如果是，则记录有关所述补气孔的相关参数结束；如果不能，则对所述补气孔的尺寸修改，重新进行如步骤五的模拟，直到获得预期效果并记录有关所述补气孔的相关参数结束；
所述步骤三中的计算方程包括：
混合流体相方程，
其中，ρ为空泡相和水流相形成的混合流体质量密度，ν为混合流体的速度矢量，t为时间；
空泡相方程，
其中，f为空泡相的质量组分，Re为水蒸气的生成率，Rc为水蒸气的凝结率；
动量方程，
其中，p为静压力，μ为分子黏性系数，μt为湍流黏性系数；
其中，ρv为气相或空泡相的密度，ρl为液相或水流相的密度。
2.根据权利要求1所述的补气孔设计方法，其特征在于，所述步骤三中的边界条件包括：
进口边界条件，给定所述进口处的绝对速度，所述绝对速度由所述水轮机的设计工况确定，压力在进口截面上设定为均匀分布；
出口边界条件，出口处速度由上游网格点的速度推导得出，并根据质量守恒定律按比例修正，出口处除所述出口处速度的其他相关量取上游一层网格点的值；
固壁边界条件，固壁上速度满足无滑移条件，压力取为第二类边界条件，湍流壁面采用壁面函数边界条件；
气泡相边界条件，空泡相进口速度取第一类边界条件，出口速度取第二类边界条件，在壁面上空泡速度沿法向梯度为零，空蚀计算初始流场的空泡体积组分赋为零。
3.根据权利要求2所述的补气孔设计方法，其特征在于，所述步骤三中的相关计算参数包括：
计算步长取0.005，收敛残值取0.00005。
4.根据权利要求3所述的补气孔设计方法，其特征在于，所述步骤五中初步设定所述补气孔的尺寸包括：
初步计算得到所述补气孔的孔径d2，
其中，P1为补气压力，P2是活动导叶下部的补气孔所在位置的液面静压，d2是活动导叶下部的补气孔的孔径，C为掺气浓度，Qa为气体流量，Qw为水流量，K是流出系数，ρ是介质密度，ε是介质的膨胀系数；
其中，P1为给定值，Qw、P2均可使用仪器测得；
其中，掺气浓度C与流量的关系为，当掺气浓度以得到一缕气泡为准时，C可视为已知，从而得到Qa的值。
5.一种反击式水轮机的活动导叶，所述活动导叶设置有补气孔和对所述补气孔供气的进气孔，其特征在于，所述补气孔的位置及尺寸为根据权利要求1至4任一项中的补气孔设计方法得到的。
6.根据权利要求5所述的反击式水轮机的活动导叶，其特征在于，所述补气孔的孔径d2的尺寸范围是6mm-8mm，包括端点值。
7.根据权利要求6所述的反击式水轮机的活动导叶，其特征在于，所述进气孔的孔径d1的尺寸范围是3mm-6mm，包括端点值。
8.根据权利要求7所述的反击式水轮机的活动导叶，其特征在于，所述活动导叶内部设置中空腔体，所述进气孔及所述补气孔通过所述中空腔体连通。
9.一种反击式水轮机，其特征在于，包括如权利要求5-8任一项所述的反击式水轮机的活动导叶。
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