小型水电站更新改造中的冲击式机组选择

国内一大批小型水电站进入了更新改造期,鉴于这类水电站机组选型的特殊性,本文旨在通过分析比较冲击式水轮机和斜击式水轮机的性能特性,为冲击式机组替代斜击式机组提供了理论依据和实例佐证。同时根据工程实例,提出了冲击式水轮机比较选型的考虑因素和方法,为小水电站更新改造中的冲击式机组比较选型提供了范例。     

多喷嘴冲击式水轮机内部流动研究

为了提高冲击式水轮机的出力与比转数,在设计时往往采取增加喷嘴数,但喷嘴数的增加会引起转轮内部流动的相互干涉,降低机组效率.本文采用CFD技术对六喷嘴冲击式水轮机转轮内部流动进行数值模拟,通过水斗数与喷嘴数之间的相互流动计算结果,优化出六喷嘴冲击式水轮机在转轮斗叶数为21个时,正好与喷嘴数相匹配,得到单个水斗接受射流全过程的速度、压力分布以及水流迹线,多个喷嘴同时作用时转轮内部流动的干涉情况.     

冲击式水轮机斗叶根部型线优化设计

应用UG软件完成转轮斗叶模型建立,采用CFD技术对多喷嘴冲击式水轮机内部流动进行数值模拟,并结合ANSYS软件对斗叶应力的分析结果,完成转轮斗叶及根部型线的优化,成功地解决了喷嘴数增加后,射流之间、转轮内部流动之间的流动干涉问题,保证了冲击式水轮机转轮的强度和水力性能,使设计的机组运行更加稳定,效率提高。     

冲击式水轮机喷射机构的磨损特性数值分析

冲击式水轮机广泛应用于高水头地区,应用水头一般高于500 m,因此喷嘴出口流速将大于100 m/s.高速的自由射流中,水中携带的细小沙粒不仅会对冲击式水轮机的水斗表面结构造成磨损,而且会破坏喷射机构.喷射机构的主要作用在于形成高质量圆柱射流,提高转轮中的能量转换效率.沙粒磨损喷射机构将影响射流质量,造成效率损失.对喷射机构以及自由射流的水固气三相流动进行了三维非定常的数值模拟.水中携带的细小沙粒简化为圆形固体颗粒,并采用离散颗粒模型模拟其运动特性以及喷射机构的磨损特性.研究发现不同颗粒直径的沙粒其运动轨迹区别很大,造成的喷射机构磨损特性也不相同.喷针表面磨损预测结果显示,直径小的颗粒随流性较强,会对喷针头部造成磨损;直径大的颗粒惯性大,容易撞击喷针颈部上游区域,造成磨损.     

冲击式水轮机喷射机构优选与磨损特性分析

为探索冲击式水轮机喷射机构水力性能和泥沙磨损特性,以500 MW冲击式水轮机为例,结合VOF模型和离散项模型对喷射机构内水气沙三相流进行了数值计算,求解得出不同喷针/喷嘴锥角喷射机构效率和流量,得到了喷射机构在不同开度下的流动特性和泥沙磨损特性,并结合实际电站磨损情况进行对比分析。结果表明：喷针/喷嘴锥角为45°/62°组合的喷射机构具有更好的调节性能。在额定开度下,喷射机构的水力效率达98.5%,比小容量机组的效率略高,随着开度的减小,效率有所下降。支撑肋导致喷射机构内形成附着涡并向出口发展,使颗粒撞击速度增加,从而对喷针表面造成不对称磨损,喷嘴磨损主要发生在出口边附近。附着涡致使速度场分布不均,导致喷嘴出口处水流卷吸空气形成了漩涡,致使泥沙颗粒发生“逃逸”现象。研究成果可为冲击式水轮机的设计和运行提供参考。