基于串列叶栅导水机构卡门涡控制机理及试验研究

The performance of the distributor is very important to the performance of the hydraulic machinery. It is not only related to the economy of the machinery, but also affects the life span of the hydraulic machinery. In many cases, for example, the grid scheduling requires a low-load operation and water storage of a large-capacity power plant; the machinery has to be operated at off-design conditions for a long time. In order to keep a good performance at off-design conditions for the turbine, it is necessary to control and adjust the corresponding components of the hydraulic machinery to fit different parameters. In this research, a tandem cascade will be applied to the distributor design of the hydraulic machinery. By improving the velocity distribution at the guide vane outlet, reducing the hydraulic loss in the distributor, and controlling the possible flow separations, it can provide a better inflow condition for the turbine, enlarge the high-efficiency operation region, and consequently improve the efficiency and stability of the machinery. The research includes studying the effect of the cascade design on the performance, optimizing the relative position between the tandem cascade and stay vane, the interaction between the tandem cascade and runner, by the method of numerical simulations. In addition, model test experiments will also be conducted for the research.

导水机构性能的提高对水力机械性能有着极其重要的作用，不仅关系到水力机械的经济性，而且还影响水力机械部件的寿命。在很多情况下，如电网调度要求低负荷运行、大库容电站蓄水期等，水力机械都需要在远离设计点的状态下工作相当长的一段时间。因此为了保持水轮机在非设计工况仍具有良好的性能，就要求对机组相应的部件进行灵活的控制和调节以适应不同的工作参数。为此本研究拟将串列叶栅应用于水力机组导水机构的设计中，通过改善活动导叶出口的速度分布、减小水流经过导水机构时产生的水力损失、控制脱落涡的产生等途径，为转轮提供优化的入流条件，扩大机组高效率运行区域，进而提高机组的效率和稳定性。内容主要包括利用数值模拟技术研究叶栅设计参数对性能的影响、串列叶栅与固定导叶相对位置的优化、串列叶栅与转轮的动静干涉三个部分，并开展相关的模型试验研究。

为了避免大库容电站蓄水和电网调度期间工作在远离设计点工况的水力机械发生不稳定流动现象，进而影响到水力机械的寿命和经济性；就需要加强机组的灵活控制和调节能力以适应不同的工作参数。本项目将串列叶栅应用于水力机组导水机构的设计中，通过改善活动导叶出口的速度分布、减小水流经过导水机构时产生的水力损失、控制脱落涡的产生等途径，为转轮提供优化的入流条件，扩大机组高效率运行区域，进而提高机组的效率和稳定性。通过相关的模型试验研究结合合理的数值模拟方法对叶栅设计参数、串列叶栅与固定导叶最优相对位置、串列叶栅对流道内部影响进行了详细的研究；主要工作如下：在翼型几何型线不变的前提下对活动导叶串列叶栅与固定导叶相对位置的优化，通过数值模拟的方法探索固定导叶与串列叶栅的最佳位置关系；利用控制变量法分别调节内、外活动导叶开度来研究内、外活动导叶对水轮机水头和效率的影响，确定活动导叶串列叶栅开度关系；在前两章的研究基础上，对常规混流式水轮机和双列活动导叶混流式水轮机进行三维全流道数值模拟计算及分析，对双列活动导叶混流式水轮机优化工作提供了优化设计准则及方向，对高效安全运行工况范围提供了理论指导。