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第卷第期水力发电学报. .
年月.,
贯流式水轮机三维定常湍流计算及改型设计
刘树红,杨魏,吴玉林,单庆臣,周大庆,张梁
.水沙科学与水利水电国家重点实验室,清华大学,北京;
.天津市天发重型水电设备制造有限公司,天津
摘要:本文完成了福建大干水电站贯流式水轮机转轮的改型设计,同时完成了水轮机原型改型前后的全流道三维定
常湍流计算,验证了改型设计的可行性。通过计算获得了各过流部件的流动细节,预估了水轮机的性能,与模型试验结
果进行了比较,并从提高流量的角度对水轮机进行了改进,提高了机组的出力。
关键词:水力机械;改型设计;三维湍流计算;贯流式水轮机
中图分类号:. 文献标识码:

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引言
水轮发电机组在实际运行过程中,由于各种因素导致机组性能达不到设计要求。因此有必要对已经投入运
行的水轮机进行改型设计,提高机组的性能。在改型设计前需要对电站的情况和水轮机的性能进行评估,找出机
组达不到设计要求的具体原因,并提出改型设计的方案和方法。随着计算机技术的快速发展,技术应用
更加广泛。本文就是基于技术对流场进行模拟和改型设计,研究对象是福建省大干贯流式水轮机组。大
干电站位于国道旁,福建省顺昌县大干镇上游米处,是一座河床式低水头梯形电站,电站已经投入运行,
但在实际运行过程中机组达不到出力要求。为此本文应用三维定常湍流数值计算技术¨‘对大干贯流式水轮机的
能量特性进行预测,对水轮机原型机在不同工况下进行了三维定常湍流计算,找出了机组出力达不到要求的原
因,并从提高流量增加出力的角度提出了改进建议。在数值模拟中,对给定的原型水轮机的全流道进行了三维定
常湍流计算,计算域为从水轮机进口至尾水管出口,如图所示。
大干电站原型水轮机的基本参数为:
转轮直径:.;叶片数:;活动导叶数:;额定流量:./;额定转速:/;额定水头:.
;最大水头:.;额定出力:。
计算区域如图所示。计算网格采用适应性强的四面体非结构化网格。各部件网格数量如表所示。整个
流道的网格节点总数为万个,单元总数为万个。
收稿日期:.
基金项目:国家自然科学基金资助
作者简介:刘树红一,女,副教授
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第期刘树红等:贯流式水轮机三维定常湍流计算及改型设计
表各过流部件网格数量分布
咖
图原型水轮机示意图
.
原型水轮机流场数值计算是对原型水轮机在水头.、.、.下,分别选取个不同的导叶开
度,共计个工况点下进行的,并根据工程实际情况重点计算了额定工况点导叶开度度,叶片角度度的
流动状况。
控制方程
直角坐标系下,牛顿流体定常流动的控制方程的雷诺时均形式如下:
连续性方程:
:
一\
.
动量方程:

一亚. 等磬
. 一’
.
式中为平均速度;为包括湍动能的等效压力;。为有效粘性系数,它是分子粘性系数于湍流涡粘性系
数之和。

雷诺时均方程中含有速度脉动量的二阶相关项,未知数个数多于方程个数,本次定常计算采用标准￡双方
程湍流模型使方程组封闭