2017, Vol. 50文章信息
- 肖惠民
- XIAO Huimin
- 超低水头轴流式水轮机反问题设计及水力特性研究
- Inverse design and performance investigation of an ultra-low head axial-flow turbine
- 武汉大学学报(工学版), 2017, 50(5): 683-687
- Engineering Journal of Wuhan University, 2017, 50(5): 683-687
- http://dx.doi.org/10.14188/j.1671-8844.2017-05-007
-
文章历史
- 收稿日期: 2016-12-25
2. 武汉大学水力机械过渡过程教育部重点实验室，湖北 武汉 430072
2. Key Laboratory of Transients in Hydraulic Machinery of Ministry of Education, Wuhan University, Wuhan 430072, China
化石能源的长期使用给人类社会的生存和发展带来了诸多无法解决的问题，目前可再生能源的开发及利用日益受到国际社会的关注.
可再生能源中的河流能、潮汐能、海流能、波浪能等均属于超低水头，甚至是零水头能源.全球超低水头可再生能源储量非常丰富，但目前尚处于开发初期[1-2]，亟待我们通过先进的技术和手段加以开发利用，为人类造福.
与常规水轮机相比，可用于低水头可再生能源开发的水轮机具有工作水头低、尺寸小、工作环境恶劣等特点.因此，对其能量转换的效率、空化性能及工作的可靠性提出了更高的要求[3-8]，这也就增大了这类水轮机的设计难度.
本文应用准三维的反问题设计方法[9-13]，完成了某超低水头轴流式水轮机导叶、转轮部件的水力设计，并通过全流道的三维湍流数值模拟计算对设计得到的水轮机进行了流动模拟及性能评价.
1 三维反问题设计原理 1.1 基本原理三维定常、无粘、不可压缩流体的反问题设计法是将流场的速度分解为周向平均速度和周期脉动速度两部分[14].其中周向平均速度满足流函数方程：
(1)
式中：r、z分别为圆柱坐标系中的径向坐标和轴向坐标；ψ为流函数；f为叶片包角；rVθ为周向平均速度环量.
周期脉动速度满足势函数方程：
(2)
式中：φn为势函数；B为叶片数；n为傅里叶展开项数；i为虚数单位.
具有一定厚度的叶片对流场的作用通过放置在叶片中心的涡和源、汇进行模拟，叶片形状满足光滑绕流边界条件[15]：
(3)
式中：Vzbl为叶片表面轴向速度；Vrbl为叶片表面径向速度；Wθbl为叶片表面相对速度的周向分量.
方程(1)~(3)构成了三维定常无粘不可压缩流体反问题设计方法的控制方程组，在给定导叶、转轮轴面流道形状、进出口边速度环量分布、叶片载荷分布、叶片厚度分布等参数的条件下，通过流场迭代计算即可求解出叶片的几何形状.
1.2 导叶、转轮叶片设计基于上述反问题设计方法，对某超低水头轴流式水轮机的导叶和转轮进行了设计.导叶、转轮叶片均设计为固定式，且导叶为等厚叶片，转轮叶片采用空化性能好的NACA 66 (a=0.8)翼型.
水轮机设计参数：转速n=500 r/min，转轮直径D1=0.5 m，轮毂直径dh=0.22 m，叶片数Zr=4，导叶数Zg=6，设计水头Hr=4.0 m，设计流量Qr=0.615 m3/s.
三维反问题方法设计得到的水轮机三维模型如图 1所示.
|
| 图 1 超低水头轴流式水轮机三维模型 Figure 1 Three-dimensional geometrical model of ultra-low head axial-flow water turbine |
由于上述反问题设计方法是基于无粘有势流的，存在一定的局限性.在完成叶型设计后，通过三维湍流数值计算对设计得到的叶片进行了性能评价，并与反问题设计计算结果进行了对比，以进一步改进设计质量.
2.1 湍流数值模拟方法采用雷诺时均N-S方程和标准k-ε湍流模型联立求解三维定常湍流场，用多重运动参考系模型(MRF)处理动部件的旋转问题，近壁边界层处理采用标准壁面函数.
方程组的压力项由二阶中心差分格式离散，其他项则采用二阶迎风差分格式.压力和速度变量解耦计算采用SIMPLEC算法.
采用混合网格划分网格单元.其中，以较细网格划分了导叶和转轮叶片区域，并就网格无关性进行了检查.
2.2 超低水头轴流式水轮机内部流动分析设计工况下导叶、转轮叶片压力及相对速度分布如图 2~5所示.由图 2、图 4可见，导叶正背面的压力变化均匀，流动顺畅.图 3显示转轮叶片正面压力分布受斜向式导叶来流的影响，外侧压力大于内侧压力；背面压力从进口到出口先均匀减小，在约80%弦长处达到最小，然后再逐渐恢复.图 5显示转轮叶片水流绕流平顺，无明显的流动分离和二次流.
|
| 图 2 设计工况导叶静压分布(单位：Pa) Figure 2 Static pressure distributionon on guide vane (unit:Pa) |
|
| 图 3 设计工况转轮叶片静压分布(单位：Pa) Figure 3 Static pressure distribution on runnerblade (unit:Pa) |
|
| 图 4 设计工况导叶速度分布(单位：m/s) Figure 4 Velocity distribution on guide vane (unit:m/s) |
|
| 图 5 设计工况转轮叶片相对速度分布(单位：m/s) Figure 5 Relative velocity distribution on runner blade (unit:m/s) |
设计工况下尾水管进口断面除中心区域外，静压分布均匀、切向分速度很小(图 6)，也就是说此工况下转轮出口水流均匀且为法向出流.而在泄水锥下方，受泄水锥及其壁面出流的影响，存在一较小的低压和负环量区.
|
| 图 6 设计工况尾水管进口压力、速度分布 Figure 6 Static pressure, tangential velocity distribution in the draft tube inlet |
数值模拟表明：设计工况下，转轮叶片表面流速、压力梯度的变化都很均匀，叶片表面没有出现脱流现象，出口水流均匀且接近法向.而导叶出口水流则有待改善，可通过调整导叶轴面流道形状进一步优化导叶出水边位置，提高转轮性能.
3 超低水头轴流式水轮机工作特性低水头的可再生能源具有水头或流量变化比较大、能量不稳定的特点.因此，需要考察水头、流量变化对水轮机性能的影响，以指导和优化水轮机的设计及运行.
图 7为该水轮机同一转速下的水头特性曲线.
|
| 图 7 超低水头轴流式水轮机水头特性曲线 Figure 7 Head characteristics of the ultra-low head axial-flow water turbine |
从图 7中可以看出：1)输出功率随着工作水头、流量的增加而增加，而流量也是随着工作水头的增加而增加的.也即，对于这种固定导叶式水轮机，其输出功率主要取决于工作水头.2)最高水力效率达92.16%.3)当工作水头低于最高效率点所对应的设计水头时，效率下降较快；而当工作水头高于设计水头时，效率的变化则比较平缓.4)水头范围H＝2.75~7.00 m时，效率均高于90%，是该水轮机的最佳运行区域.
4 结论1) 三维反问题设计方法可用于各种叶轮机械的水力设计，具有广泛的应用前景.而将三维反问题设计方法与三维湍流数值模拟技术有机结合，可进一步提高叶轮的设计质量.
2) 应用准三维的反问题设计方法，设计得到了适用于超低水头的轴流式水轮机.该水轮机具有结构比较简单、维护量少、效率较高等特点.
3) 基于全流道的湍流数值模拟表明，水轮机内部流动平顺，水力损失小，设计工况下的水力效率可达92.16%，且在较宽广的水头范围内均具有良好的水力性能.
| [1] |
游亚戈, 李伟, 刘伟民, 等. 海洋能发电技术的发展现状与前景[J].
电力系统自动化, 2010, 34(14): 1–12.
You Yage, Li Wei, Liu Weimin, et al. Development status and perspective of marine energy conversion systems[J]. Automation of Electric Power Systems, 2010, 34(14): 1–12. |
| [2] |
张亮, 李新仲, 耿敬, 等. 潮流能研究现状2013[J].
新能源进展, 2013, 1(1): 53–68.
Zhang Liang, Li Xinzhong, Geng Jing, et al. Tidal current energy update 2013[J]. Advances in New and Renewable Energy, 2013, 1(1): 53–68. |
| [3] | Li H, Hu Z, Chandrashekhara K, et al. Reliability-based fatigue life investigation for a medium-scale composite hydrokinetic turbine blade[J]. Ocean Engineering, 2014, 89: 230–242. DOI:10.1016/j.oceaneng.2014.08.006 |
| [4] | Tahir Yavuz, Emre Ko, Bahad1r Kaynak. Hydrodynamics performance of hydrofoil-slat arrangements in 3D analysis[J]. Energy Conversion and Management, 2013, 75: 44–50. DOI:10.1016/j.enconman.2013.05.041 |
| [5] | Nicholls-Lee R F, Turnock S R, Boyd S W. Application of bend-twist coupled blades for horizontal axis tidal turbines[J]. Renewable Energy, 2013, 50: 541–550. DOI:10.1016/j.renene.2012.06.043 |
| [6] | Grogan D M, Leen S B, Kennedy C R, Ó Brádaigh C M. Design of composite tidal turbine blades[J]. Renewable Energy, 2013, 57: 151–162. DOI:10.1016/j.renene.2013.01.021 |
| [7] |
余龙, 张仕骏, 兀丰凯, 等. 海流发电机翼型研发进展及优化设计研究[J].
船舶工程, 2014, 36(4): 1–5.
Yu Long, Zhang Shijun, Wu Fengkai, et al. Research & development and optimization design of hydrofoil of marine current turbine[J]. Ship Engineering, 2014, 36(4): 1–5. |
| [8] | Yavuz T, Koç B, Kilkis B, et al. Performance analysis of the airfoil-slat arrangements for hydro and wind turbine applications[J]. Renewable Energy, 2015, 74: 414–421. DOI:10.1016/j.renene.2014.08.049 |
| [9] |
杨琳, 陈乃祥. 水力机械转轮三维反问题研究及其新进展[J].
水力发电学报, 2004, 23(1): 97–101.
Yang Lin, Chen Naixiang. The new research and development of three-dimensional inverse problem of runners of hydraulic machinery[J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2004, 23(1): 97–101. |
| [10] | Bonaiuti D, Zangeneh M, Aartojarvi R, et al. Parametric design of a waterjet pump by means of inverse design, CFD calculation and experimental analyses[J]. Journal of Turbomachinery, 2010, 132(3): 1–15. |
| [11] |
谭磊, 曹树良, 桂绍波, 等. 离心泵叶轮正反问题迭代设计方法[J].
农业机械学报, 2010, 41(7): 30–35.
Tan Lei, Cao Shuliang, Gui Shaobo, et al. Centrifugal pump impeller design by using direct inverse problem iteration[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2010, 41(7): 30–35. |
| [12] |
杨魏, 王福军, 王宏. 离心风机叶片三维反问题优化设计[J].
农业机械学报, 2012, 43(8): 105–109.
Yang Wei, Wang Fujun, Wang Hong. Aerodynamic optimization design of centrifugal fan blades based on 3-D inverse design method[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2012, 43(8): 105–109. |
| [13] |
王旭鹤, 祝宝山, 曹树良, 等. 可逆式水泵水轮机转轮的三维反问题优化设计[J].
农业工程学报, 2014, 30(13): 78–85.
Wang Xuhe, Zhu Baoshan, Cao Shuliang, et al. Optimal design of reversible pump-turbine runner[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2014, 30(13): 78–85. DOI:10.3969/j.issn.1002-6819.2014.13.010 |
| [14] | Tan C S, Hawthorne W R, McCune J E, et al. Theory of blade design for large deflections: Part Ⅱ—Annular cascades[J]. ASME Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 1984, 106(2): 354–365. DOI:10.1115/1.3239572 |
| [15] | Borges J E. A three-dimensional inverse method for turbomachinery: Part Ⅰ-Theory[J]. ASME Journal of Turbomachinery, 1990, 112(3): 346–354. DOI:10.1115/1.2927666 |