[发明专利]水轮机导叶水力矩的测控方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种水轮机导叶水力矩的测控方法，属于水力机械研究领域。

背景技术

导叶主要用于调节水轮机流量，是水轮机组导水机构中最重要的铸锻件之一，能够保证 水轮机具有良好的水力特性和安全性。水流作用在导叶上时，导叶的翼型及位置直接影响水 压力和水力矩值，为正确选择导水机构接力器、计算导叶强度、设计导叶传动机构，必须知 道导叶在各个开度的力特性。

目前导叶水力矩的研究以水轮机模型试验为主要研究手段，导叶水力矩测试过程复杂、 繁琐，试验周期较长，是一项费时费力的试验项目。水轮机模型导叶水力矩试验已不适于现 代水力机械研究的要求。

计算流体动力学(ComputationalFluidDynamics，简称CFD)是通过计算机数值计算和 图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。随着CFD技术的 完善，数值分析可以准确的模拟固定部件内部的流动情况，使得应用数值模拟计算导叶水力 矩以替代水轮机导叶水力矩试验成为可能。现有研究中，数值模拟计算的水轮机导叶水力矩 存在计算过程复杂、运算效率低、计算结果与试验测量偏差大的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有应用模型试验测试水轮机导叶水力矩存在的实验过程复 杂、运行成本较高、试验测量结果偏差较大的问题，进而提供一种水轮机导叶水力矩的测控 方法。

本发明水轮机导叶水力矩按以下步骤进行测控：

步骤一：将水轮机导叶计算域设定为单周期的双列叶栅与转轮的联合计算，其中，双列 叶栅包括固定导叶和活动导叶；

步骤二：对步骤一中的计算域进行网格划分，并对双列叶栅壁面进行边界层网格加密， 将得到的计算域网格导入至数值计算软件；

步骤三：在数值计算软件中给定边界条件，其中进口条件给定为质量流量进口、出口条 件给定为静态平均压力出口、固壁面给定为无滑移固壁边界条件、计算域界面为周期边界条 件；

步骤四：应用数值分析获得模型水轮机活动导叶的流场，在此基础上计算导叶水力矩、 水力损失和效率。

导叶水力矩直接影响水轮机导水机构和接力器的设计，导叶水力矩是水轮机原型设计过 程中的重要参数。目前导叶水力矩的研究以水轮机模型试验为主要研究手段，但实验测量方 法往往受到模型尺寸、流场扰动、人身安全和测量精度的限制，此外，实验还会遇到经费投 入、人力和物力的巨大耗费及周期长等许多困难。本发明中通过数值模拟，可以得到极其复 杂的流场内各个位置上的基本物理量(如速度、压力、温度、浓度等)的分布，以及这些物 理量随时间的变化情况，还可据此算出相关的其他物理量，如水轮机导叶的水力矩、水力损 失和效率等。水轮机导叶水力矩的计算结果与实验结果的准确性对原型水轮机的设计和生产 起着决定性作用。

本发明采用数值计算软件对三峡左岸水轮机双列叶栅的结构化网格作数值分析，求解其 内部的压力场、速度场及水流流态，对数值结果作进一步分析可确定水轮机活动导叶水力矩 及其受力情况。进口条件给定为质量流量进口；出口条件给定为静态平均压力出口；固壁面 给定为无滑移固壁边界条件；计算域界面为周期边界条件。本发明中水轮机导叶水力矩的测 算以边界层加密的单周期固定导叶与活动导叶为研究对象，采用标准k-ε数值模型，计算不同 开度条件下导叶力特性和导叶水力矩结果，来流条件直接影响水力计算结果，本发明所述的 双列叶栅及转轴的联合计算利用固定导叶控制来流，可以纠正进口来流条件存在的偏差，最 大程度的模拟活动导叶的水流入流情况，从而更准确的计算活动导叶的水力矩结果。

将导叶水力矩测算结果与实验结果进行对比分析，验证了本发明所述计算方法的正确性， 本发明提供了一种简单实用的水轮机导叶水力矩确定方法。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1.本发明提出一种方便、快捷、准确的导叶水力矩测算方法；

2.采用单周期的双列叶栅进行数值计算，求解导叶水力矩简单易行。

附图说明

图1是本发明所述水轮机导叶水力矩的测控方法步骤示意图；

图2是双列叶栅与转轮计算域实体示意图；

图3是双列叶栅计算域网格；

图4是双列叶栅计算域网格划分局部放大图；

图5是实施例1中水轮机双列叶栅固壁面压力图像；