基本信息
- 项目名称：
- 一种新型斜击式水轮机的开发与性能分析研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 斜击式水轮机用于水头为20—200m的小型水电站，驱动水轮发电机旋转而发出电能。 结构特点：水流与转轮进水平面呈22.5—25角射入，利用水流的动能来作功，喷嘴中心布置成与转轮进水边平面呈22.5—25角，通过喷针调节流量来改变机组负荷的大小，该型水轮机结构简单，安装使用维护方便。
- 详细介绍：
- 斜击式水轮机具有平均效率高、高效区较宽广的特点，适用于负荷变幅较大的水电站开发。这种型式的水轮机结构简单，安装使用维护方便，水流自离开喷嘴，进入转轮直至离开转轮的整个工作过程，是在敞开的大气中进行，形成自由射流，并且同一时刻往往有多个斗叶在接受这种射流。冲击式水轮机包括水斗式水轮机、斜击式水轮机和双击式水轮机等，这些水轮机的水斗在运行过程中，往往由于结构设计的不合理以及水力设计的不科学等，在水斗叶片根部将产生裂纹，进而断裂，产生飞斗的严重事故。本文采用CFD技术对双喷嘴斜击式水轮机转轮内部流动进行数值模拟，研究其内部流动规律，得到转轮内部流动的干涉情况，优化斗叶型线，在此基础上开发设计出了一种新型的斜击式为双喷嘴斜击水轮机，能提高出力和效率，并在结构上能安全稳定运行。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 目的：通过改善冲击式水轮机的结构，提高冲击式水轮机出力和效率，并在结构上能安全稳定运行。 基本思路：通过CFD技术对双喷嘴斜击式水轮机转轮内部流动进行数值模拟，研究其内部流动规律，得到转轮内部流动的干涉情况，优化斗叶型线，在此基础上开发设计出了一种新型的斜击式为双喷嘴斜击水轮机
科学性、先进性及独特之处
- 本课题提出了一种新型的斜击式水轮机的结构，通过CFD技术对该种水轮机转轮内部流动进行数值模拟，通过斗叶与喷嘴之间的相互流动计算结果分析，优化得出转轮斗叶数以及双喷嘴斜击式水轮机转轮的最佳斗叶木模型线，得到斗叶接受射流全过程的速度、压力分布以及水流迹线，两个喷嘴同时作用时转轮内部流动的干涉情况。
应用价值和现实意义
- 本课题提出了一种新型的斜击式水轮机的结构，提高了斜击式水轮机的出力与比转速，解决了一般冲击式水轮机水斗叶片根部易产生裂纹，进而断裂，产生飞斗的严重事故的问题，使其能更高效、更安全的运行。
学术论文摘要
- 本文提出了一种新型的斜击式水轮机的结构，并完成了总体结构布置设计。在结构上增加了喷嘴数目，提高了斜击式水轮机的出力与比转速，同时由于喷嘴数的增加又会引起转轮内部流动的相互干涉，降低机组效率，因此本研究采用CFD技术对双喷嘴斜击式水轮机转轮内部流动进行数值模拟，通过斗叶与喷嘴之间的相互流动计算结果分析，优化得出转轮斗叶数以及双喷嘴斜击式水轮机转轮的最佳斗叶木模型线，得到斗叶接受射流全过程的速度、压力分布以及水流迹线，两个喷嘴同时作用时转轮内部流动的干涉情况。为这种新型的斜击式水轮机的推广应用，电站运行提供了参考依据。
获奖情况
- 2010年6月在中国核心期刊（遴选）数据库收录期刊《能源研究与管理》上发表
鉴定结果
- 本文是一篇富有创造力和创新精神的学术论文，运用CFD技术进行数值模拟与分析，最终为这种新型的斜击式水轮机的推广应用，电站运行提供了参考依据。
参考文献
- 1 Felix A，戴然．水斗式水轮机流动数值计算与试验研究——射流自由表面流动[J]．国外大电机，2001（3）：59～63． 2 符杰，宋文武，周敏，等．多喷嘴冲击式水轮机内部流动研究[J]．农业机械学报，2008，39（10）：71～75． 3 韩凤琴，久保田乔，刘洁．数值模拟冲击式水轮机内部非定常流动[J]．华中理工大学学报：自然科学版，2000，28（l1）：14～16． 4 肖业祥，郑爱玲，韩凤琴，等． CFD法研究多喷嘴冲击式水轮机的射流干涉[J]．华南理工大学学报：自然科学版，2007，35（3）：66～70． 5 韩凤琴，肖业祥，久保田乔．水斗非定常自由水膜流三维贴体数值模拟[J]．工程热物理学报，2006，27（4）：601～603． 6 宋文武，符杰，周敏，等．多喷嘴冲击式水轮机内部流动及部件振形的研究[J]．大电机技术，2008（12）：41～45． 7 许萍，韦彩新． 水斗数对转轮性能影响的实验研究[J]．华中科技大学学报：自然科学版，2003，31（3）：89～91． 8 周文桐，周晓泉．论水斗式水轮机转轮水斗的破坏[J]．大电机技术，2006（6）：47～50．
同类课题研究水平概述
- 现有传统斜击式水轮机结构包括机壳、机盖、喷嘴、机壳内的转轮以及电机，喷嘴多为单一喷嘴。单一喷嘴的斜击式水轮机的过流量通常较小，单机出力小，用于发电时必然要增加机组台数，同样会增加电站的建设成本；而且同一时刻往往有3～4个斗叶在接受同一喷嘴流量大小不等的射流，使得斗叶的绕流情况复杂，单个斗叶根部的受力不均，从而引起整个机组的振动。有文献报道一种水轮机立式环形多喷嘴，它是在环形管道中分布有多个喷嘴；还有一种集流多喷嘴斜击式水轮机，它具有一个集流器，相当于配水容器，在集流器的圆周上均布多个喷嘴，它虽然实现了斜击式水轮机的多喷嘴的设计思想，但在水力设计上，这种布置的多喷嘴却不能严格保证各喷嘴之间的水力平衡关系，通过开启与关闭各喷嘴来进行运行调节，更不易保证水力平衡关系。转轮是水轮机的心脏部件，不管是集流式水轮机还是环形多喷嘴，均与原转轮型线不匹配，喷嘴数目增加后，结构布置复杂，转轮过流量加大，射流之间与转轮内部水流之间均可能发生干涉，叶片根部区域以及叶片进口处均可能产生大量旋涡，水力损失大，水力效率低。 传统的斜击式水轮机多为铸件，结构与尺寸受到很大限制，使其排流不畅通，容易撞击机座、机盖形成漫反射；水轮机主体分为机座、机盖两部分，使其拆装、检修极为不便。
