基本信息
- 項目名稱：
- 一種新型斜擊式水輪機的開發(fā)與性能分析研究
- 小類：
- 機械與控制
- 簡介：
- 斜擊式水輪機用于水頭為20—200m的小型水電站，驅(qū)動水輪發(fā)電機旋轉(zhuǎn)而發(fā)出電能。 結(jié)構(gòu)特點：水流與轉(zhuǎn)輪進水平面呈22.5—25角射入，利用水流的動能來作功，噴嘴中心布置成與轉(zhuǎn)輪進水邊平面呈22.5—25角，通過噴針調(diào)節(jié)流量來改變機組負荷的大小，該型水輪機結(jié)構(gòu)簡單，安裝使用維護方便。
- 詳細介紹：
- 斜擊式水輪機具有平均效率高、高效區(qū)較寬廣的特點，適用于負荷變幅較大的水電站開發(fā)。這種型式的水輪機結(jié)構(gòu)簡單，安裝使用維護方便，水流自離開噴嘴，進入轉(zhuǎn)輪直至離開轉(zhuǎn)輪的整個工作過程，是在敞開的大氣中進行，形成自由射流，并且同一時刻往往有多個斗葉在接受這種射流。沖擊式水輪機包括水斗式水輪機、斜擊式水輪機和雙擊式水輪機等，這些水輪機的水斗在運行過程中，往往由于結(jié)構(gòu)設(shè)計的不合理以及水力設(shè)計的不科學(xué)等，在水斗葉片根部將產(chǎn)生裂紋，進而斷裂，產(chǎn)生飛斗的嚴重事故。本文采用CFD技術(shù)對雙噴嘴斜擊式水輪機轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流動進行數(shù)值模擬，研究其內(nèi)部流動規(guī)律，得到轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流動的干涉情況，優(yōu)化斗葉型線，在此基礎(chǔ)上開發(fā)設(shè)計出了一種新型的斜擊式為雙噴嘴斜擊水輪機，能提高出力和效率，并在結(jié)構(gòu)上能安全穩(wěn)定運行。
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作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 目的：通過改善沖擊式水輪機的結(jié)構(gòu)，提高沖擊式水輪機出力和效率，并在結(jié)構(gòu)上能安全穩(wěn)定運行。 基本思路：通過CFD技術(shù)對雙噴嘴斜擊式水輪機轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流動進行數(shù)值模擬，研究其內(nèi)部流動規(guī)律，得到轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流動的干涉情況，優(yōu)化斗葉型線，在此基礎(chǔ)上開發(fā)設(shè)計出了一種新型的斜擊式為雙噴嘴斜擊水輪機
科學(xué)性、先進性及獨特之處
- 本課題提出了一種新型的斜擊式水輪機的結(jié)構(gòu)，通過CFD技術(shù)對該種水輪機轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流動進行數(shù)值模擬，通過斗葉與噴嘴之間的相互流動計算結(jié)果分析，優(yōu)化得出轉(zhuǎn)輪斗葉數(shù)以及雙噴嘴斜擊式水輪機轉(zhuǎn)輪的最佳斗葉木模型線，得到斗葉接受射流全過程的速度、壓力分布以及水流跡線，兩個噴嘴同時作用時轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流動的干涉情況。
應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義
- 本課題提出了一種新型的斜擊式水輪機的結(jié)構(gòu)，提高了斜擊式水輪機的出力與比轉(zhuǎn)速，解決了一般沖擊式水輪機水斗葉片根部易產(chǎn)生裂紋，進而斷裂，產(chǎn)生飛斗的嚴重事故的問題，使其能更高效、更安全的運行。
學(xué)術(shù)論文摘要
- 本文提出了一種新型的斜擊式水輪機的結(jié)構(gòu)，并完成了總體結(jié)構(gòu)布置設(shè)計。在結(jié)構(gòu)上增加了噴嘴數(shù)目，提高了斜擊式水輪機的出力與比轉(zhuǎn)速，同時由于噴嘴數(shù)的增加又會引起轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流動的相互干涉，降低機組效率，因此本研究采用CFD技術(shù)對雙噴嘴斜擊式水輪機轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流動進行數(shù)值模擬，通過斗葉與噴嘴之間的相互流動計算結(jié)果分析，優(yōu)化得出轉(zhuǎn)輪斗葉數(shù)以及雙噴嘴斜擊式水輪機轉(zhuǎn)輪的最佳斗葉木模型線，得到斗葉接受射流全過程的速度、壓力分布以及水流跡線，兩個噴嘴同時作用時轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流動的干涉情況。為這種新型的斜擊式水輪機的推廣應(yīng)用，電站運行提供了參考依據(jù)。
獲獎情況
- 2010年6月在中國核心期刊（遴選）數(shù)據(jù)庫收錄期刊《能源研究與管理》上發(fā)表
鑒定結(jié)果
- 本文是一篇富有創(chuàng)造力和創(chuàng)新精神的學(xué)術(shù)論文，運用CFD技術(shù)進行數(shù)值模擬與分析，最終為這種新型的斜擊式水輪機的推廣應(yīng)用，電站運行提供了參考依據(jù)。
參考文獻
- 1 Felix A，戴然．水斗式水輪機流動數(shù)值計算與試驗研究——射流自由表面流動[J]．國外大電機，2001（3）：59～63． 2 符杰，宋文武，周敏，等．多噴嘴沖擊式水輪機內(nèi)部流動研究[J]．農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2008，39（10）：71～75． 3 韓鳳琴，久保田喬，劉潔．數(shù)值模擬沖擊式水輪機內(nèi)部非定常流動[J]．華中理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2000，28（l1）：14～16． 4 肖業(yè)祥，鄭愛玲，韓鳳琴，等． CFD法研究多噴嘴沖擊式水輪機的射流干涉[J]．華南理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2007，35（3）：66～70． 5 韓鳳琴，肖業(yè)祥，久保田喬．水斗非定常自由水膜流三維貼體數(shù)值模擬[J]．工程熱物理學(xué)報，2006，27（4）：601～603． 6 宋文武，符杰，周敏，等．多噴嘴沖擊式水輪機內(nèi)部流動及部件振形的研究[J]．大電機技術(shù)，2008（12）：41～45． 7 許萍，韋彩新． 水斗數(shù)對轉(zhuǎn)輪性能影響的實驗研究[J]．華中科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2003，31（3）：89～91． 8 周文桐，周曉泉．論水斗式水輪機轉(zhuǎn)輪水斗的破壞[J]．大電機技術(shù)，2006（6）：47～50．
同類課題研究水平概述
- 現(xiàn)有傳統(tǒng)斜擊式水輪機結(jié)構(gòu)包括機殼、機蓋、噴嘴、機殼內(nèi)的轉(zhuǎn)輪以及電機，噴嘴多為單一噴嘴。單一噴嘴的斜擊式水輪機的過流量通常較小，單機出力小，用于發(fā)電時必然要增加機組臺數(shù)，同樣會增加電站的建設(shè)成本；而且同一時刻往往有3～4個斗葉在接受同一噴嘴流量大小不等的射流，使得斗葉的繞流情況復(fù)雜，單個斗葉根部的受力不均，從而引起整個機組的振動。有文獻報道一種水輪機立式環(huán)形多噴嘴，它是在環(huán)形管道中分布有多個噴嘴；還有一種集流多噴嘴斜擊式水輪機，它具有一個集流器，相當于配水容器，在集流器的圓周上均布多個噴嘴，它雖然實現(xiàn)了斜擊式水輪機的多噴嘴的設(shè)計思想，但在水力設(shè)計上，這種布置的多噴嘴卻不能嚴格保證各噴嘴之間的水力平衡關(guān)系，通過開啟與關(guān)閉各噴嘴來進行運行調(diào)節(jié)，更不易保證水力平衡關(guān)系。轉(zhuǎn)輪是水輪機的心臟部件，不管是集流式水輪機還是環(huán)形多噴嘴，均與原轉(zhuǎn)輪型線不匹配，噴嘴數(shù)目增加后，結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜，轉(zhuǎn)輪過流量加大，射流之間與轉(zhuǎn)輪內(nèi)部水流之間均可能發(fā)生干涉，葉片根部區(qū)域以及葉片進口處均可能產(chǎn)生大量旋渦，水力損失大，水力效率低。 傳統(tǒng)的斜擊式水輪機多為鑄件，結(jié)構(gòu)與尺寸受到很大限制，使其排流不暢通，容易撞擊機座、機蓋形成漫反射；水輪機主體分為機座、機蓋兩部分，使其拆裝、檢修極為不便。
