一種反擊式水輪機及其活動導葉及其補氣孔設計方法技術

本發明專利技術公開了一種反擊式水輪機活動導葉的補氣孔設計方法，及反擊式水輪機及其活動導葉，其中補氣孔設計方法包括：對水輪機的活動導葉和轉輪建立全模擬的數學模型；對建立的活動導葉和轉輪的數學模型分別進行網格劃分；將劃分好的活動導葉和轉輪的網格導入流體力學計算軟件，得到求解域的流動特性的計算結果；對計算結果進行壓力分布分析，從而確定活動導葉尾部補氣孔位置；結合對計算結果的分析，初步設定補氣孔的尺寸，模擬補氣孔減蝕效果，得到補氣孔尺寸。經過經驗公式總結，可以更加精確地控制補氣孔摻氣濃度，從而有效地減少反擊式水輪機轉輪內部的空蝕破壞程度。解決了水輪機防空蝕補氣結構設計不合理，加工困難、防空蝕效果差的問題。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及水電設備
，更具體地說，涉及一種反擊式水輪機活動導葉的補氣孔設計方法，還涉及一種反擊式水輪機的活動導葉，還涉及一種反擊式水輪機。
技術介紹
水力發電是指水流通過水輪機，把自身的勢能和動能轉化為旋轉機械能，帶動發電機旋轉，從而將水能轉化為電能，其中反擊式水輪機是目前應用最為廣泛的水輪機，主要包括了混流式水輪機與軸流式水輪機兩種類型。而水輪機的轉輪是能量轉換的主要部件，當轉輪葉片上某一點壓力下降到當時液體溫度下的汽化壓力時，將在葉片上產生翼型空化和空蝕，這是水輪機的主要破壞形式，其后果主要是引起水輪機水力性能參數惡化、機械振動和噪音，進而影響水輪機的安全運行。軸流式水輪機轉輪的翼型空蝕主要發生在葉片背面下部出水邊部位；混流式水輪機轉輪的翼型空蝕破壞主要位于轉輪葉片背面靠近下環出水邊的下半部，這種現象使得水輪機檢修周期縮短，從而導致水力發電機組整體性能的下降。目前，存在一些通過向水輪機運行過程中注入氣體的方法以便將空蝕的現象減弱延長水輪機葉片等部位的使用壽命，然而專利技術人發現市面上的此類設計在實施上還存在一些問題，主要表現在：首先，大多設計僅能對活動導葉進行保護，應用范圍單一；此外考慮到活動導葉的結構尺寸問題，某些通過設置多個補氣孔實現補氣的設計方案，存在工藝復雜，加工難度大的問題。其次，僅憑經驗設置充氣補氣的位置，設計盲目程度較大，空化區域的位置判斷不準確，減弱空蝕的效果較差；水輪機的結構多樣，現有設計基本只能針對某一種水輪機見效，適用性差應用范圍狹窄；補氣操作較為粗放，難以準確控制補氣中的各項指標對空蝕嚴重的目標區域進行專門的補氣。綜上所述，如何有效地解決現有的反擊式水輪機防空蝕補氣結構設計不合理，造成加工困難，防空蝕效果差等技術問題，是目前本領域技術人員急需解決的問題。
技術實現思路
有鑒于此，本專利技術的第一個目的在于提供一種反擊式水輪機活動導葉的補氣孔設計方法，該補氣孔設計方法可以有效地解決現有的反擊式水輪機防空蝕補氣結構設計不合理，造成加工困難，防空蝕效果差等技術問題，本專利技術的第二個目的是提供一種采用上述補氣孔設計方法的設計的反擊式水輪機的活動導葉，本專利技術的第三個目的是提供一種包括上述反擊式水輪機的活動導葉的反擊式水輪機。為了達到上述第一個目的，本專利技術提供如下技術方案：一種反擊式水輪機活動導葉的補氣孔設計方法，包括：步驟一：對水輪機的活動導葉和轉輪建立全模擬的數學模型；步驟二：對建立的活動導葉和轉輪的數學模型分別進行網格劃分，網格劃分時采用塊結構化網格；步驟三：將劃分好的活動導葉和轉輪的網格導入流體力學計算軟件，設置計算域的計算方程、邊界條件和相關計算參數，采用有限體積法求解流動方程，得到求解域的流動特性的計算結果；步驟四：對所述計算結果進行壓力分布分析，確定所述反擊式水輪機轉輪內部空化區域及經過活動導葉到該轉輪空化區域的流線，結合空化區域位置及流線分析反求，從而確定活動導葉尾部所述補氣孔垂直方向上距離活動導葉底邊的高度；步驟五：結合對所述計算結果的分析，初步設定所述補氣孔的尺寸，并利用所述流體動力學計算軟件對確定的所述補氣孔的位置及尺寸的設計進行模擬，得到模擬結果；步驟六：判斷所述模擬結果是否達到減少空化破化的預期效果，如果是，則記錄有關所述補氣孔的相關參數結束；如果不能，則對所述補氣孔的尺寸修改，重新進行如步驟五的模擬，直到獲得預期效果并記錄有關所述補氣孔的相關參數結束。優選的，上述補氣孔設計方法中，所述步驟三中的計算方程包括：混合流體相方程，其中，ρ為空泡相和水流相形成的混合流體質量密度，ν為混合流體的速度矢量；空泡相方程，其中，f為空泡相的質量組分，Re為水蒸氣的生成率，Rc為水蒸氣的凝結率；動量方程，其中，p為靜壓力，μ為分子黏性系數，μt為湍流黏性系數；其中，優選的，上述補氣孔設計方法中，所述步驟三中的邊界條件包括：進口邊界條件，給定所述進口處的絕對速度，所述絕對速度由所述水輪機的設計工況確定，壓力在進口截面上設定為均勻分布；出口邊界條件，出口處速度由上游網格點的速度推導得出，并根據質量守恒定律按比例修正，出口處除所述出口處速度的其他相關量取上游一層網格點的值；固壁邊界條件，固壁上速度滿足無滑移條件，壓力取為第二類邊界條件，湍流壁面采用壁面函數邊界條件；氣泡相邊界條件，空泡相進口速度取第一類邊界條件，出口速度取第二類邊界條件，在壁面上空泡速度沿法向梯度為零，空蝕計算初始流場的空泡體積組分賦為零。優選的，上述補氣孔設計方法中，所述步驟三中的相關計算參數包括：計算步長取0.005，收斂殘值取0.00005。優選的，上述補氣孔設計方法中，所述步驟五中初步設定所述補氣孔的尺寸包括：初步計算得到所述補氣孔的孔徑d2，其中，P1為補氣壓力，P2是活動導葉下部的補氣孔所在位置的液面靜壓，d2是活動導葉下部的補氣孔直徑，C為摻氣濃度，Qa為氣體流量，Qw為水流量，K是流出系數，ρ是介質密度，ε是介質的膨脹系數；其中，P1、d1為給定值，Qw、P2均可使用儀器測得；其中，摻氣濃度C與流量的關系為，當摻氣濃度以得到一縷氣泡為準時，C可視為已知，從而得到Qa的值。本專利技術提供的反擊式水輪機活動導葉的補氣孔設計方法，包括：步驟一：對水輪機的活動導葉和轉輪建立全模擬的數學模型；步驟二：對建立的活動導葉和轉輪的數學模型分別進行網格劃分，網格劃分時采用塊結構化網格；步驟三：將劃分好的活動導葉和轉輪的網格導入流體力學計算軟件，設置計算域的計算方程、邊界條件和相關計算參數，采用有限體積法求解流動方程，得到求解域的流動特性的計算結果；步驟四：對所述計算結果進行壓力分布分析，確定所述反擊式水輪機轉輪內部空化區域及經過活動導葉到該轉輪空化區域的流線，結合空化區域位置及流線分析反求，從而確定活動導葉尾部所述補氣孔垂直方向上距離活動導葉底邊的高度；步驟五：結合對所述計算結果的分析，初步設定所述補氣孔的尺寸，并利用所述流體動力學計算軟件對確定的所述補氣孔的位置及尺寸的設計進行模擬，得到模擬結果；步驟六：判斷所述模擬結果是否達到減少空化破化的預期效果，如果是，則記錄有關所述補氣孔的相關參數結束；如果不能，則對所述補氣孔的尺寸修改，重新進行如步驟五的模擬，直到獲得預期效果并記錄有關所述補氣孔的相關參數結束。采用本專利技術提供的這種補氣孔設計方法，首先，利用流體力學計算軟件進行計算并通過計算結果進行數值模擬分析，準確預測反擊式水輪機葉輪內的空化區域位置，不僅解決了現有技術僅憑經驗設計補氣結構，目標空化區域位置確定的精度不高的問題，而且解決了現有技術目標范圍相對單一的問題，只需采用本方法建立不同的模型進行運算分析即可得到不同種類的水輪機的具體補氣設計；其次，本專利技術利用“摻氣減蝕”原理，通過僅在活動導葉尾部打一個補氣孔，并通過其進行補氣，結構簡單，易操作。最后，經過歸納的經驗公式，可得到準確的補氣壓差，可以更加精確地控制補氣孔摻氣濃度，從而有效地減少反擊式水輪機轉輪內部的空蝕破壞程度。綜上所述，本專利技術提供的技術方案能夠有效地解決現有的反擊式水輪機防空蝕補氣結構設計不合理，造成加工困難，防空蝕效果差等技術問題。為了達到上述第二個目的，本專利技術還提供了一種反擊式水輪機的活動導葉，該活動導葉設置有補氣孔和對所述補氣孔供氣的進氣孔，本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種反擊式水輪機活動導葉的補氣孔設計方法，其特征在于，包括：步驟一：對水輪機的活動導葉和轉輪建立全模擬的數學模型；步驟二：對建立的活動導葉和轉輪的數學模型分別進行網格劃分，網格劃分時采用塊結構化網格；步驟三：將劃分好的活動導葉和轉輪的網格導入流體力學計算軟件，設置計算域的計算方程、邊界條件和相關計算參數，采用有限體積法求解流動方程，得到求解域的流動特性的計算結果；步驟四：對所述計算結果進行壓力分布分析，確定所述反擊式水輪機轉輪內部空化區域及經過活動導葉到該轉輪空化區域的流線，結合空化區域位置及流線分析反求，從而確定活動導葉尾部所述補氣孔垂直方向上距離活動導葉底邊的高度；步驟五：結合對所述計算結果的分析，初步設定所述補氣孔的尺寸，并利用所述流體動力學計算軟件對確定的所述補氣孔的位置及尺寸的設計進行模擬，得到模擬結果；步驟六：判斷所述模擬結果是否達到減少空化破化的預期效果，如果是，則記錄有關所述補氣孔的相關參數結束；如果不能，則對所述補氣孔的尺寸修改，重新進行如步驟五的模擬，直到獲得預期效果并記錄有關所述補氣孔的相關參數結束。

【技術特征摘要】
1.一種反擊式水輪機活動導葉的補氣孔設計方法，其特征在于，包括：步驟一：對水輪機的活動導葉和轉輪建立全模擬的數學模型；步驟二：對建立的活動導葉和轉輪的數學模型分別進行網格劃分，網格劃分時采用塊結構化網格；步驟三：將劃分好的活動導葉和轉輪的網格導入流體力學計算軟件，設置計算域的計算方程、邊界條件和相關計算參數，采用有限體積法求解流動方程，得到求解域的流動特性的計算結果；步驟四：對所述計算結果進行壓力分布分析，確定所述反擊式水輪機轉輪內部空化區域及經過活動導葉到該轉輪空化區域的流線，結合空化區域位置及流線分析反求，從而確定活動導葉尾部所述補氣孔垂直方向上距離活動導葉底邊的高度；步驟五：結合對所述計算結果的分析，初步設定所述補氣孔的尺寸，并利用所述流體動力學計算軟件對確定的所述補氣孔的位置及尺寸的設計進行模擬，得到模擬結果；步驟六：判斷所述模擬結果是否達到減少空化破化的預期效果，如果是，則記錄有關所述補氣孔的相關參數結束；如果不能，則對所述補氣孔的尺寸修改，重新進行如步驟五的模擬，直到獲得預期效果并記錄有關所述補氣孔的相關參數結束。2.根據權利要求1所述的補氣孔設計方法，其特征在于，所述步驟三中的計算方程包括：混合流體相方程，其中，ρ為空泡相和水流相形成的混合流體質量密度，ν為混合流體的速度矢量；空泡相方程，其中，f為空泡相的質量組分，Re為水蒸氣的生成率，Rc為水蒸氣的凝結率；動量方程，其中，p為靜壓力，μ為分子黏性系數，μt為湍流黏性系數；其中，3.根據權利要求2所述的補氣孔設計方法，其特征在于，所述步驟三中的邊界條件包括：進口邊界條件，給定所述進口處的絕對速度，所述絕對速度由所述水輪機的設計工況確定，壓力在進口截面上設定為均勻分布；出口邊界條件，出口處速度由上游網格點的速度推導得出，并根據質量守恒定律按比例修...

【專利技術屬性】
技術研發人員：曾永忠，劉小兵，宋占寬，佘瑤，
申請(專利權)人：西華大學，
類型：發明
國別省市：四川;51