CN111396229A - 兼顾转轮效率和磨损情况的叶片安放角度非线性设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种兼顾转轮效率和磨损情况的叶片安放角度非线性设计方法，转轮叶片安放角度采用非线性的变化规律来调节转轮叶片沿流线方向能量转化，转轮叶片安放角度基于幂函数变化；当n<1时，水轮机的效率提高；当n>1时，水轮机叶片的抗磨损性能有明显的增加；根据水轮机的运行条件选择n<1或者n>1，进行转轮叶片安放角度设计。该方法针对不同运行条件，可以选取合理的指数，以达到优化水轮机运行效率以及抗磨损性能的效果，通过大量的理论分析与数值模拟验证，能够有效地服务于水轮机转轮设计过程。

Description

兼顾转轮效率和磨损情况的叶片安放角度非线性设计方法
技术领域
本发明属于水利水电领域，具体涉及一种兼顾转轮效率和磨损情况的叶片安放角度非线性设计方法。
背景技术
水电资源是一种清洁的可再生能源，水电资源的开发利用途径主要是修建水电站，水电站的核心部件是水轮机。水轮机作为电站的核心部件，其运行效率直接关系到电站的经济效益，一般情况下电站转轮处于高效区运行，但是在含沙条件下，即水流中含有较多的泥沙颗粒时，泥沙颗粒会撞击水轮机过流部件表面对水轮机过流部件表面造成磨损，进一步使得水轮机运行效率大幅度下降。因此对水轮机进行优化设计，特别是转轮(水轮机的核心部件)的设计是尤为必要的。
以往在对水轮机转轮进行设计时，依据电站设计水头以及流量，确定转轮的基本参数，如转轮进出口直径、叶片数、转轮转速、转轮进口流道高度、转轮叶片进出口安放角度。确定了水轮机转轮的基本参数后，需要进一步指定转轮叶片所采用的基本翼型与叶片进出口安放角变化规律，构建转轮的三维模型。通常转轮叶片进出口安放角采用线性变化规律，即转轮叶片安放角沿着流线方向是线性变化的，但是线性变换有时不能更好的考虑外部条件变化。
发明内容
本发明的目的是提供一种兼顾转轮效率和磨损情况的叶片安放角度非线性设计方法，该方法针对不同运行条件，可以选取合理的指数，以达到优化水轮机运行效率以及抗磨损性能的效果，通过大量的理论分析与数值模拟验证，能够有效地服务于水轮机转轮设计过程。
本发明所采用的技术方案是：
一种兼顾转轮效率和磨损情况的叶片安放角度非线性设计方法，转轮叶片安放角度采用非线性的变化规律来调节转轮叶片沿流线方向能量转化，转轮叶片安放角度基于幂函数变化：
Figure BDA0002415549360000011
其中，βx为水轮机沿流线方向相对位置x处叶片的安放角度，β进口为水轮机进口的叶片安放角度，β出口为水轮机出口的叶片安放角度，n为指数项；
当n＝1时，转轮叶片进出口安放角采用线性变化规律，具有局限性，因此舍弃；当n<1时，水轮机的效率提高，相同过流量，额定出力增大；当n>1时，水轮机的效率有所下降，但是水轮机叶片的抗磨损性能有明显的增加；根据水轮机的运行条件选择n<1或者n>1，进行转轮叶片安放角度设计。
进一步地，水轮机在清水条件运行时，选择n<1，提高水轮机的效率，相同过流量，额定出力增大。此时能量转换主要发生在叶片进口处，转轮能够充分利用水能，有效提高水轮机运行效率。
进一步地，水轮机在含沙水流条件运行时，选择n>1，提高转轮的抗磨损性能。此时能量转换主要发生在叶片出口处，叶片表面相对流速平均值偏小，能够增大水轮机转轮的抗磨损性能。
本发明的有益效果是：
该方法针对不同运行条件，可以选取合理的指数，以达到优化水轮机运行效率以及抗磨损性能的效果，通过大量的理论分析与数值模拟验证，能够有效地服务于水轮机转轮设计过程。
附图说明
图1是实施例1转轮示意图。
图2是实施例2转轮示意图。
图3是实施例3转轮示意图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
采用n＝1叶片安放角度变化规律叶片1，采用n＝2叶片安放角度变化规律叶片2，采用n＝0.5叶片安放角度变化规律叶片3。
在对发明方法进行验证时采用了数值模拟的方法，通过将实际电站转轮进行建模，计算得到相应的计算结果。另外在原有转轮的基础上采用上述发明方法对转轮进行优化设计，将计算结果同原有转轮进行比较得到相应的结果。
实施例1：
基于尼泊尔地区实际电站机组转轮原型进行缩放得到该转轮的模型，如附图1所示，该转轮叶片安放角度变化规律采用线性形式即n＝1。采用数值模拟的方式对转轮的运行效率以及转轮的磨损性能进行了计算，计算结果表明，该转轮的流量为233kg/s时，转轮的运行效率为98.77％，轴功率为98kw，平均磨损率为9.81*10-9kg/s/m2。
实施例2：
基于尼泊尔地区实际电站机组转轮原型进行缩放得到该转轮的模型，采用上述发明方法进行优化,优化后的转轮如附图2所示，该转轮叶片安放角度变化规律采用n＝2的形式。采用数值模拟的方式对转轮的运行效率以及转轮的磨损性能进行了计算，计算结果表明，该转轮的流量为233kg/s时，转轮的运行效率为98.47％，轴功率为95kw,平均磨损率为5.14*10-99.81*10-9kg/s/m2。与实施例1计算得到的结果相比较，转轮的效率略有降低，轴功率有所降低，但是转轮的平均磨损率下降了47％。
实施例3：
基于尼泊尔地区实际电站机组转轮原型进行缩放得到该转轮的模型，采用上述发明方法进行优化,优化后的转轮如附图3所示，该转轮叶片安放角度变化规律采用n＝0.5的形式。采用数值模拟的方式对转轮的运行效率以及转轮的磨损性能进行了计算，计算结果表明，该转轮的流量为233kg/s时，转轮的运行效率为98.97％，轴功率为100kw,平均磨损率为1.48*10-8kg/s/m2。与实施例1计算得到的结果相比较，转轮的效率升高，轴功率提升，转轮的平均磨损率有所增高。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明保护的范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种兼顾转轮效率和磨损情况的叶片安放角度非线性设计方法，其特征在于：转轮叶片安放角度采用非线性的变化规律来调节转轮叶片沿流线方向能量转化，转轮叶片安放角度基于幂函数变化，
Figure FDA0002415549350000011
其中，βx为水轮机沿流线方向相对位置x处叶片的安放角度，β进口为水轮机进口的叶片安放角度，β出口为水轮机出口的叶片安放角度，n为指数项；
当n<1时，水轮机的效率提高，相同过流量，额定出力增大；当n>1时，水轮机的效率有所下降，但是水轮机叶片的抗磨损性能有明显的增加；根据水轮机的运行条件选择n<1或者n>1，进行转轮叶片安放角度设计。
2.如权利要求1所述的兼顾转轮效率和磨损情况的叶片安放角度非线性设计方法，其特征在于：水轮机在清水条件运行时，选择n<1，提高水轮机的效率，相同过流量，额定出力增大。
3.如权利要求1所述的兼顾转轮效率和磨损情况的叶片安放角度非线性设计方法，其特征在于：水轮机在含沙水流条件运行时，选择n>1，提高转轮的抗磨损性能。
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