蝸殼設計方法的研究現狀(一)

 第一章   緒論

1.1 研究本課題的背景及意義
 由蝸殼和固定導葉組成的水輪機引水部件的水力設計對水輪機的性能有舉足輕重的作用。我國西部地區受自然條件的限制，河流含泥沙量較大，傳統的蝸殼設計方法基本上都是按照蝸殼內任意一點(diǎn)的設計的。隨著(zhù)蝸殼鼻端半徑減小含泥沙水流速度增大會(huì )造成鼻端的局部損失得加大和嚴重磨蝕，從而影響水輪機的正常運行，降低蝸殼的使用壽命，造成嚴重的經(jīng)濟損失[3]。如青海省鼓浪堤水電站曾經(jīng)出現水輪機蝸殼被磨穿造成停機了的嚴重后果。我國西部水力資源豐富，中小水電站星羅棋布，水輪機蝸殼的磨蝕是威脅機組安全運行的一個(gè)隱患。多年來(lái)，水輪機蝸殼中的磨損一直是國內外的一個(gè)研究課題[4]。近年來(lái)比較切實(shí)可行的做法是將磨蝕嚴重的鼻端割掉，重新焊接鼻端。本課題正是從蝸殼的改造而不是整體更換蝸殼的設想出發(fā)，希望能在改造過(guò)程中改變蝸殼磨蝕較為嚴重的鼻端部分的型線(xiàn)，使鼻端的水流速度比原設計速度有所降低，從而達到減輕磨蝕，提高蝸殼壽命的目的。這就需要從蝸殼水力設計方面著(zhù)手，改進(jìn)蝸殼的型線(xiàn)與結構以減小磨損使之能長(cháng)期運行在多泥沙水流的惡劣工況下，從一定程度上解決蝸殼在多泥沙水流中的磨蝕問(wèn)題，提高蝸殼使用壽命，減少因設備原因造成的出力下降甚至停機。 我國農村小水電資源豐富，可開(kāi)發(fā)量達７１８７０ＭＷ，分布在全國１５００多個(gè)縣（市）。到２００１年底，已建成農村水電站４萬(wàn)余座，裝機容量達２８７９０ＭＷ，占全國農村水電資源可開(kāi)發(fā)量的４０％，其中運行３０年以上的小水電站的裝機容量１５３０ＭＷ，運行２０年以上的小水電站裝機容量７５７０ＭＷ，分別占已建成的小水電站總裝機容量的５．３％和２６．３％。這些小水電站的特點(diǎn)是：裝機容量�。ù蠖嘣冢担埃埃耄住�３０００ｋＷ以下），臺數多，技術(shù)落后，效率低，制造質(zhì)量差，安全生產(chǎn)隱患多［5］。有的已經(jīng)改造或停運，有的正在改造，更多的則急需進(jìn)行技術(shù)改造。如果僅用改造而不是整體更換設備的方法可以達到提高機組壽命和水力效率的目的，則產(chǎn)生的效益是不可估量的。

1.2蝸殼設計方法的研究現狀
 針對多泥沙水流設計特殊結構的蝸殼的思路在我國早就有人提出，但是由于蝸殼內流場(chǎng)的復雜性和實(shí)驗手段落后，數值模擬方法無(wú)法準確的仿真實(shí)際流場(chǎng)等原因，長(cháng)期以來(lái)很難找到蝸殼的流場(chǎng)的準確分布規律，這就給改進(jìn)蝸殼型線(xiàn)從而減少水力損失帶來(lái)了困難。從現有的資料來(lái)看我國僅有很少幾例改變設計方法的新型蝸殼且實(shí)際應用的嘗試，這些新型蝸殼在改型方法上主要是按進(jìn)行設計，制造。國內在80年代前設計蝸殼型線(xiàn)時(shí)未考慮到與壓力水管的經(jīng)濟流速相對應和減少蝸殼內的水流損失，多著(zhù)重探討蝸殼進(jìn)口斷面系數的值，并擬定不同水頭時(shí)的推薦曲線(xiàn)。對混流式水輪機（設計水頭米，值在0.9-0.6之間）在按等速度矩設計蝸殼型線(xiàn)時(shí)，為了減少機組段的寬度，我國將蝶形邊角定為55［6］。這一時(shí)期，國外認為轉輪是水能轉換機械，是影響水輪機效率，穩定性，產(chǎn)生空蝕磨損的關(guān)鍵部件，將精力主要放在研究新型轉輪的流態(tài)計算與結構改進(jìn)上，而蝸殼內的流速較小，且在少泥沙水流中運行未發(fā)現嚴重破壞，故未予足夠重視。
 80年代后期東方電機廠(chǎng)采用，兩種方法進(jìn)行了蝸殼型線(xiàn)與模型試驗，前者流速系數為0.836，后者為0.898。實(shí)驗表明，后者的比前者高1.5r/min ,兩者經(jīng)試驗效率相同［7］。這種用設計蝸殼型線(xiàn)的意圖在于減小進(jìn)口斷面積增大尾部斷面積，使機組間距不至加大，故該廠(chǎng)推薦用于大型機組，并為二灘水電站采用設計前半段蝸殼，用設計后半段蝸殼的方案。
 與東方電機廠(chǎng)類(lèi)似，西北勘測設計院與清華大學(xué)在拉希瓦水電廠(chǎng)（裝機容量620MW，米）設計蝸殼時(shí)采用減小蝸殼進(jìn)口斷面（即增大流速系數），在鼻端附近放大斷面（用設計新型蝸殼型線(xiàn)）的方案，并探討了蝸殼和固定導葉的匹配。經(jīng)模型試驗后推算，可減少蝸殼水頭損失米，年增加發(fā)電量8000萬(wàn)千瓦［8］。此外清華大學(xué)、中國水科院通過(guò)室內實(shí)驗及三維流動(dòng)計算等方式進(jìn)行了蝸殼內流態(tài)的分析，哈爾濱大電機研究所在改造現有HL001-WJ轉輪時(shí)，用有限元計算探討了固定導葉的線(xiàn)型與活動(dòng)導葉的匹配問(wèn)題，并推薦用鱷魚(yú)型固定導葉。該方案在僅改變固定導葉頭部形狀情況下，可使翼型頭部最大流速下降17.3%，最大局部泥沙磨損減小43.5%。與此同時(shí)，東方電機廠(chǎng)與劉家峽水電站采用特殊結構以消除進(jìn)口水流經(jīng)蝶形邊后流至固定導葉的漩渦。
 本文立足于機組的改造，不同于一般的蝸殼常規設計，國內研究基本上都立足于新型蝸殼的設計，一般都是提出針對多泥沙水流蝸殼的整體設計方案，很少探討對現有機型的改造。國外在90年代以后對這類(lèi)情況的研究經(jīng)查閱資料未找到有價(jià)值和應用于真機的實(shí)例。
1.3 按常規設計的蝸殼運行中存在的問(wèn)題［9］
   隨著(zhù)包角的減小蝸殼伸入到座環(huán)內的部分相對增大，會(huì )出現蝸殼的圓弧不與蝶形邊相切，越小此現象越為嚴重。當小于某一臨界角度時(shí)，為了使蝸殼與蝶形邊部相接，只有人為地修改這部分型線(xiàn)，使其變成橢圓形斷面。由于傳統蝸殼是按照速度矩等于常數設計，小于臨界角度時(shí)，隨著(zhù)半徑的減小會(huì )導致鼻端附近水流速度增大，由于磨蝕量正比于水流速度2.7-3.2次方，如果長(cháng)期運行于多泥沙水流的工況，將會(huì )造成鼻端附近的嚴重磨蝕，甚至穿孔。所以應該盡量降低蝸殼鼻端的水流速度，切向速度減小則磨蝕量減小。為了適應多泥沙水流需要設計出鼻端不同于傳統型線(xiàn)的新型蝸殼，在保證出口環(huán)量滿(mǎn)足要求的基礎上適當的加大截面積，減小水流速度，從而減小含泥沙水流對鼻端的磨蝕及其引起的水力損失�，F在通用的蝸殼型線(xiàn)的設計方法具有以下缺陷應予改進(jìn)（即使是利用的方法設計蝸殼型線(xiàn)也是如此）。
國外已有的室內實(shí)驗和三維流動(dòng)分析得出，從鼻端附近水流蝸殼的周向、徑向、立面高度方面普遍存在較嚴重的不均勻分布，這與二次回流、水流內外摩擦阻有關(guān)，用上述計算方法無(wú)法考慮減小時(shí)蝸殼壁面的側面收縮的不均勻性（隨減小，兩相鄰蝸殼斷面間的收縮越大）并引起沿整個(gè)蝸殼周向尤其是在蝶形邊附近的另一個(gè)附加渦流，因此，蝸殼內的流態(tài)與假定條件經(jīng)計算后的蝸殼流態(tài)相差較大［10］。
(2)  蝸殼鼻端與進(jìn)口相鄰部分的水流摻混引起的流態(tài)紊亂［11］，蝸殼水流紊亂的最嚴重處是鼻端與進(jìn)口銜接部分。該部分是用最后一個(gè)固定導葉作為隔板將鼻端水流域進(jìn)口水流相隔。由于鼻端處的值大，并因外摩擦阻影響水流流向不完全沿固定導葉向內側流動(dòng)，而從鋼管進(jìn)入蝸殼的水流矢量在此尚未形成理想的對數螺線(xiàn)，在具有不同的壓力、流速矢量的兩種水流相遇后，易引起漩渦和流態(tài)混亂，波及到進(jìn)口斷面內一定范圍的流場(chǎng)。
 (3)  蝶形邊角值對蝸殼內流態(tài)的影響［12］
確定蝶形邊角值大小的因素有二：
(a) 不使蝸殼寬度B過(guò)大，盡量不增加機組寬度。
(b) 蝸殼中水流從蝶形邊附近流入固定導葉區時(shí)，受及影響使進(jìn)入固定導葉區的水流派生出附加紊流。
從以上分析可以得出，若將值減小，及影響小，可改善進(jìn)入固定導葉的水流的流態(tài)，但及B增大；且值較小時(shí)，又引起在包角較小范圍內出現用求得蝸殼斷面型線(xiàn)內的誤差。
無(wú)論是三維還是二維計算蝸殼內流場(chǎng)變化，為簡(jiǎn)化計算，一般假設蝸殼進(jìn)口流速為均勻分布，由于水流在蝸形段中流動(dòng)時(shí)受離心力
 
影響，產(chǎn)生二次流.而限于理論水平，尚不能將引起的二次流在蝸殼內的流動(dòng)形式用數學(xué)模式表達出來(lái)，更難于與計算的、、迭加起來(lái)。
    此外在計算水流外摩擦阻時(shí)，尚不能計算蝸殼每個(gè)環(huán)節的折角處引起的渦旋水力損失量，國內外也僅能用一般水力學(xué)方法，按錐管（彎曲，收縮）來(lái)計算其水力損失［13］。
         進(jìn)口斷面部分：
                  
         蝸殼段水力損失：
                  
  按取值，將帶入上式得：
                  
    從而得到為：
                  
    式中為錐管長(cháng)度，、尾錐管中間斷面的直徑和平均流速， 為錐管中間斷面平均圓周流速（近似取圓斷面中心處的）。
     由上可見(jiàn)，上述計算損失的方法與蝸殼內部實(shí)際水力損失相差較大。
  
 1.4 本課題所研究的主要內容
    本論文針對應用廣泛的小型機組，以青海鼓浪堤水電站HL220-WJ-71水輪機組蝸殼為對象，采用現場(chǎng)試驗與數值模擬相結合的方法，尋求蝸殼型線(xiàn)修改的方案，具體研究?jì)热萑缦拢?br /> 用Fluent的前處理軟件Gmabit對以方法設計的蝸殼建模，再用Gambit對用方法設計鼻端而前半部分仍按照方法設計的部分相拼接的新蝸殼建模，并生成網(wǎng)格。把兩個(gè)網(wǎng)格導入Fluent中，選定合適的湍流模型，按照機組設計工況對初始條件，邊界條件進(jìn)行定義，迭代求取數值解。
通過(guò)對數值解的分析給出改進(jìn)前和改進(jìn)后的蝸殼對稱(chēng)面上的壓力分布和速度分布。
找出改型后較之改前的蝸殼出口處的水流流態(tài)有哪些改變，分別給出切向速度，徑向速度沿蝸殼出口高度和包角的變化規律。
研究在機組設計工況下改型后的蝸殼在改造斷面的平均切向速度較改型前減小的具體量值。
將改型后和改型前蝸殼的平均切向速度值帶入經(jīng)驗公式，給出改進(jìn)后的蝸殼壽命的增加量。
通過(guò)對改型后同改型前蝸殼尾段流態(tài)的對比，提出針對放大尾部斷面的新型蝸殼的固定導葉修型方案，為今后新型蝸殼的設計提供參考。
 

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