一种基于流量变化对水轮机转轮中能量耗散位置影响的分析方法技术

本发明专利技术涉及一种基于流量变化对水轮机转轮中能量耗散位置影响的分析方法，属于水轮机技术领域。根据转轮转速与单位转速、真机导叶开度与模型机导叶开度之间进行换算求得单位转速n

【技术实现步骤摘要】
一种基于流量变化对水轮机转轮中能量耗散位置影响的分析方法


[0001]本专利技术涉及一种基于流量变化对水轮机转轮中能量耗散位置影响的分析方法，属于水轮机


技术介绍

[0002]作为水电站的核心部件之一，水轮机的水力特性对水电站的整体性能起着关键性作用。近年来，随着单机容量和总装机容量的持续增加，减少水轮机中的能量损失、提高机组效率越来越重要。因此，要求对逐个过流部件进行细化研究,研究每个过流部件的水力损失及产生机理。在流场方面，CFD技术的应用己经非常成熟，它能获得准确详细的内部流动信息,是成功设计高性能水轮机的重要保证。然而，往常的CFD分析手段仍然有一定的局限性。在对水力损失的大小及发生位置的分析上，不够直观，它更多地是从压力和速度的分布来间接地分析能量损失，说服力不够。为此，本专利技术提出一种基于流量变化对水轮机转轮中能量耗散位置影响的分析方法，利用流动熵产理论来定量和定位地分析水轮机叶道中的能量损失大小和位置，希望对水轮机的评估和优化有指导作用。

技术实现思路

[0003]针对上述现有技术存在的问题及不足，本专利技术提供一种基于流量变化对水轮机转轮中能量耗散位置影响的分析方法。本专利技术通过以下技术方案实现。
[0004]一种基于流量变化对水轮机转轮中能量耗散位置影响的分析方法，其具体步骤包括：
[0005]步骤1、根据转轮转速与单位转速、真机导叶开度与模型机导叶开度之间进行换算求得单位转速n
11
和模型机导叶开度α
m
；
[0006]步骤2、根据步骤1换算得到的单位转速n
11
和模型机导叶开度α
m
，根据水轮机模型特征曲线图确定各工况点的信息和流量Q；
[0007]步骤3、根据步骤2得到的各工况点的信息和流量Q调用Fluent模拟流体动力学模块获得水轮机全流道的流场分布信息，水轮机全流道的流场分布信息包括平均速度场脉动速度场(u
′1，u
′2，u
′3)、湍动能k、湍流耗散特征量ω、湍流有效粘性系数分布场μ
eff
、密度场ρ和温度场T；采用Fluent模拟，控制方程在空间上采用有限体积法进行离散，时间上采用二阶全隐式格式。并利用雷诺时均模型中的剪应力输运模型，即(SST)k
‑
ω湍流模型执行湍流计算，采用水作为流动介质，在流过水轮机全流道时认为流体是不可压缩且保持恒温；
[0008]步骤4、通过步骤3得到的全流道的流场分布信息通过公式(1)、(2)和(3)计算水轮机转轮局部平均速度场熵生成速率和局部脉动速度场熵生成速率局部平均速度场熵生成速率和局部脉动速度场熵生成速率求和得到水轮机局部的总熵S
P
：
[0009]局部平均速度场熵生成速率
[0010][0011]局部脉动速度场熵生成速率
[0012][0013][0014]根据(SST)k
‑
ω湍流模型，由湍流耗散产生的局部熵产率即公式(2
‑
1)可由公式(2
‑
2)替换，β是经验常数常取0.09
[0015]水轮机局部的总熵S
P
：
[0016][0017]式中V代表水轮机局部部件所占的空间区域；
[0018]步骤5、根据步骤4得到水轮机局部的总熵S
P
分析水轮机转轮处能量耗散的发生位置及其分布规律。
[0019]所述步骤1中转轮转速与单位转速、真机导叶开度与模型机导叶开度之间换算关系如下：
[0020][0021][0022]式中n
‑
转速，r/min；n
11
‑
单位转速，r/min；H
‑
水头，m；D1‑
真机转轮出口直径，m；D
1m
‑
模型机转轮出口直径；α
‑
真机导叶开度，mm；α
m
‑
模型机导叶开度，mm；Z
‑
真机活动导叶叶片数量；Z
m
‑
模型机活动导叶叶片数量。
[0023]所述步骤2流量Q计算如下：
[0024][0025]式中Q
‑
流量，m3/s；Q
11
‑
单位流量，m3/s；H
‑
水头，m；D1‑
真机转轮出口直径，m。
[0026]本专利技术没有定义的标号为本领域技术人员公知的标号含义。
[0027]本专利技术的有益效果是：
[0028]本专利技术利用流动熵产理论来定量和定位地分析水轮机叶道中的能量损失大小和
位置，能有效预估水轮机的能量，弥补了传统能量耗散分析方法无法预估高能量耗散发生具体位置的技术空白，通过降低能量损失来提升水轮机的效率具有重大意义。
附图说明
[0029]图1是本专利技术水轮机模型特征曲线图；
[0030]图2是本专利技术工况点信息真机导叶开度(α)的物理意义；
[0031]图3是本专利技术不同工况下转轮内中局部熵产云图；
[0032]图4是本专利技术工况B缩小范围时的熵产云图。
具体实施方式
[0033]下面结合附图和具体实施方式，对本专利技术作进一步说明。
[0034]本实施例中水轮机真机型号为HLA551
‑
LJ
‑
43，该型号水轮机设计流量Q为0.7m3/s，选取n＝600r/min下，攻角分别为24
°
、32
°
的工况点进行瞬态计算，选取的工况点依次记为工况点A，工况点B。
[0035]根据攻角分别为24
°
、32
°
，通过图2中工况点信息真机导叶开度(α)的物理意义，量取α分别为38.05mm、48.74mm。
[0036]H＝10m，D1＝0.43m，D
1m
＝0.35m，Z＝24，Z
m
＝16。
[0037]该基于流量变化对水轮机转轮中能量耗散位置影响的分析方法，其具体步骤包括：
[0038]步骤1、根据转轮转速与单位转速、真机导叶开度与模型机导叶开度之间进行换算求得单位转速n
11
和模型机导叶开度α
m
；
[0039]根据已知条件n＝600r/min，α分别为38.05mm、48.74mm，通过公式(4)、(5)计算得到工况点A，工况点B；计算结果如下表表1所示。
[0040][0041]步骤2、根据步骤1换算得到的单位转速n
11
和模型机导叶开度α
m
，根据水轮机模型特征曲线图(图1所示)，通过查图，确定各工况点的信息单位流量Q
11
和水轮机效率η，确定各工况点的信息和流量Q；流量Q通过公式(6)计算，结果如表2所示；
[0042]表2
[004本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于流量变化对水轮机转轮中能量耗散位置影响的分析方法，其特征在于具体步骤包括：步骤1、根据转轮转速与单位转速、真机导叶开度与模型机导叶开度之间进行换算求得单位转速n
11
和模型机导叶开度α
m
；步骤2、根据步骤1换算得到的单位转速n
11
和模型机导叶开度α
m
，根据水轮机模型特征曲线图确定各工况点的信息和流量Q；步骤3、根据步骤2得到的各工况点的信息和流量Q调用Fluent模拟流体动力学模块获得水轮机全流道的流场分布信息，水轮机全流道的流场分布信息包括平均速度场湍动能k、湍流耗散特征量ω、湍流有效粘性系数分布场μ
eff
、密度场ρ和温度场T；步骤4、通过步骤3得到的全流道的流场分布信息通过公式(1)、(2)和(3)计算水轮机转轮局部平均速度场熵生成速率和局部脉动速度场熵生成速率局部平均速度场熵生成速率和局部脉动速度场熵生成速率求和得到水轮机局部的总熵S
P
：局部平均速度场熵生成速率局部平均速度场熵生成速率局部脉动速度场熵生成速率局部脉动速度场熵生成速率水轮机局部的总熵S
P
：式中V代表水轮机局部部件所占的空间区域；步骤5、根据步骤4得到水轮机局...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭涛，徐李辉，王文全，罗竹梅，于诗歌，刘岩，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：