混流式水泵水轮机转轮全三维逆向设计方法研究

混流式水泵水轮机转轮全三维逆向设计方法研究

杨琳 陈乃祥 樊红刚 崔桂香

清华大学

摘 要:传统的可逆机转轮设计大多采用按水泵设计,水轮机工况校核的方法。为研究可逆机转轮的设计方法,本文提出了按水泵给定流道参数和转数,从水轮机方向计算叶型的全三维逆向设计方法,对高水头水泵水轮机转轮进行了全三维设计,并对所设计的转轮用三维湍流数值模型进行了性能预估。结果表明全三维逆向设计方法是可行的,设计方法有较好的可控性。由于在设计中综合考虑了水泵和水轮机的双向流动特性,设计转轮有较好的效率。 关键词:水泵水轮机 反问题 逆向设计

0 前言

随着电力系统的迅速扩大和发展,抽水蓄能电站在电力系统中所担任的调峰、调频、调相和事故备用等的功效越来越显著。抽水蓄能电站的主要设备是抽水蓄能机组。现代抽水蓄能电站的主要机型是可以双向运行的可逆式水泵水轮机。它将水泵和水轮机合并成一台机组,向一个方向旋转抽水,向另一个方向则旋转发电。

国内对可逆机转轮的设计研究进行的很少,现有的转轮基本都由国外引进。传统的水泵水轮机转轮设计大多采用水泵设计水轮机工况校核的方法,即按水泵设计给定流道及转数等设计参数,并按水泵设计叶型,然后根据水轮机工况的运行特点,在一定程度内做调整修改。由于水泵设计大都采用一元、二元的设计方法,无法完全反应转轮内三维流动特性。对于空间几何形状十分复杂的叶轮来说,在设计过程中按三维流动进行反问题计算、提高转轮设计水平已显得日益重要。

抽水蓄能电站的效益需要综合考虑水泵和水轮机的效率等诸多方面。提高抽水效率可以在消耗相同电量的情况下多抽水,但其新增的流量所发的电量不高于同等情况下提高水轮机效率所多发的电量。对于任何一类发电站,发电量高经济效益就高。由于峰谷电价的巨大差异,提高发电效率对于电站的效益十分显著。

本文提出了一种水泵水轮机转轮的逆向全三维设计方法。采用该方法进行了高水头混流式水泵水轮机转轮的设计,并针对设计的转轮进行了全流道三维湍流数值模拟及性能预估,计算分析表明水泵水轮机转轮的逆向设计方法是可行的。用该方法设计的转轮在水泵和水轮机两种工况下的转轮效率相差不大,并且水轮机工况下的转轮效率有较大的提高。

1 可逆机转轮逆向设计方法

全三维逆向设计方法与传统设计方法不同,主要是在进行转轮设计时按水泵设计给定流道及转数等设计参数,但从水轮机方向用全三维反问题计算方法计算叶型,即按水轮机的流动方向,将速度分解为周向平均和周期性脉动分量,用置于叶片中心面上的源汇涡来代替叶片对流场的作用,而叶片形状以满足流动边界条件迭代确定,在设计中综合考虑了水泵和水轮机的双向流动特性。 1.1 数学模型

1.1.1转轮内部流动描述

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