高水頭混流式水輪機飛逸工況流動特性數(shù)值研究.pdf

1、在飛逸發(fā)生時，水輪機的轉速達到此導葉開度下的最大值，通常大于150％的同步轉速。機組將承受非常大的附加質量力，有可能造成機組結構破壞。與此同時，轉輪中的流態(tài)變差，產(chǎn)生非常大振幅的不穩(wěn)定壓力脈動，會引起轉輪的疲勞破壞，影響轉輪的壽命。本文以典型的高水頭混流式模型水輪機Francis99為研究對象，針對數(shù)值模擬方法和飛逸工況流動特性兩方面進行了研究。主要結論如下：
　　首先對Francis99三個特征工況進行了數(shù)值計算，將數(shù)值結果與實

2、驗值進行了對比。計算采用了兩種常用的湍流模型（標準k-ε模型、k-ωSST模型）以及一種更高級的湍流模型（SAS-SST模型）。另外從節(jié)省計算資源的角度進行探索，應用TBR（TransientBladeRow）模型中的PT方法和FT方法對活動導葉和轉輪分別進行了單流道和雙流道非穩(wěn)態(tài)計算。從對水力效率、各監(jiān)測點壓力均值、尾水管截面速度以及壓力脈動頻域特性等結果的對比分析中可以看出，應用不同湍流模型進行計算，可從不同角度影響計算結果，但都得

3、出相近于實驗數(shù)據(jù)的結果。采用不同湍流模型對計算結果有不同的影響，但都可以得到與實驗數(shù)據(jù)較為吻合的結果。采用FT方法可以得到與全環(huán)計算相當?shù)慕Y果，由于該方法僅需兩個流道的計算模型，因此可以在節(jié)省計算資源的同時采用更加精細合理的網(wǎng)格。
　　對數(shù)值模擬方法的對比分析，使得所采用數(shù)值方法的準確性得到驗證。為了在保證計算精度的同時節(jié)約計算資源、減少計算耗時，采用k-ωSST湍流模型計算了飛逸工況內部流動規(guī)律。重點關注了轉輪葉片表面壓力分布、

4、轉輪域內流動狀態(tài)、各監(jiān)測點處壓力脈動時域和頻域特性。得出的主要結論有：飛逸工況下，葉片表面的壓力梯度分布與正常工況存在較大差異，最高壓力位于進口邊背面靠近上冠及下環(huán)處且呈對稱分布，最低壓力出現(xiàn)在進口邊正面靠近上冠及下環(huán)處；水流以旋轉渦流狀態(tài)進入轉輪，進出口速度大小變化不明顯；水流在轉輪流道內的流動狀態(tài)以一個長葉片和一個短葉片為周期，即每間隔一個流道內的流動狀況相同；飛逸工況下無葉區(qū)壓力脈動幅值明顯高于正常工況，在導葉開度為3.91°及9