水斗式水轮机的水力设计

2. 水斗式水轮机的水力设计

本章对冲击式水轮机水斗内的流动进行了经典的分析，在实验室的测量结果的例子中也提到了，包括现代CFD分析中对水斗内流动的可能出现的不确定性的讨论。

2.1. 水斗式水轮机水斗内流动的图形化分析

当下冲击式水轮机水斗的水力设计是基于非平稳自由面的CFD分析。此方法在不断改进中，但它仍然需要一段很长的路要走来得到正确的解决方案，而且模型试验仍是目前制造高效率的水斗的唯一的办法。值得感兴趣的是了解到94年前冲击式水轮机式水斗的非平稳流的流动分析是在图形分析方法的基础上进行的，并由挪威科技大学研发成功的。这是H.Christie在硕士期间开发的方法，他后来任上述的水轮机制造公司KVAERNER首席官。

这个分析的原理是基于一个表面微粒的加速度表面必须垂直于水斗内的水面，然后，此方法的使用者_必须首先绘制水斗内假定的移动表面符合假设的粒子路径，一步一步地及时使用小的增量得射流越过水斗，直至射流所切取的部分冲出水斗。

图7. 取自图形化分析的动态水面在某个时间点“冻结”，还显示出了水面上的粒子径。

此分析的目的是找到水斗的一个最优的水力形状如出口角度和水的射流进口部分，以免产生分流水和击中相邻水斗背面侧的水。关于冲击式水轮机水斗的CFD流动分析工作在[2]中有提到，但在本文中不会介绍。

2.2 . 冲击式水轮机模型试验测量结果

目前CFD分析得到广泛使用，但对受尖端引起的中心尾流和气流损失引起的打开面影响的喷嘴内的速度分布的分析是不正确的[3]。如图8所示，由挪威科技大学的微型毕托管测量喷嘴内的速度分布。因为射流的速度分布的改变取决于喷嘴的距离，没有正确的射流速度分布的CFD分析也将是不正确的。

图8上面的入口点到水斗的射流速度分布的测量值（左），首次触摸到射流的9/100秒后，模型水轮机水斗内的水流频闪照片（右）(Hn=100m)

出于对CFD分析的控制和改进，水斗的表面压力也已被测量，测量结果表示于图9。

/参考.3 /

例如2000年，挪威科技大学做的关于冲击式水轮机水斗中的测量压力的实验，是由当时还是硕士的Anna Luise Martinsen完成的，如图9所示。

为了避免流动扰动，要通过压力传感器在水斗的表面平齐位置进行仔细定位。

应该指出的是第一压力从进入的射流上的点2和接下来预期的点4处上升。此外有趣的是，点（4），（3），（1）和射流核心附近的点（6）处产生最高压力，与此同时，射流侧的点（5）和（2）处产生了较低的压力。

图9.运行在100 m净水头处测得的模型水轮机的冲击式水斗的表面压力

从实验测试和呈现的图形化分析建立了水斗形状并在实验室进行调整，40年前即实现效率接近92％。

目前仍然需要对模型水轮机进行调整，以期实现模型水轮机的效率高于92.5％，

原型机高于92％以上。原因是与模型机相比，原型机效率有所降低。作者认为该模型水轮机是在比原型机低的水头进行实验，由表面破坏和泡沫形成的射流损失在原型机中有所增加。由于规模效应，对于水斗式水轮机来说，很难建立由模型机到原型机效率的规范。因为旧规范不正确，国际电工委员会仍在进行工作，制定以降低由模型机到原型机效率的规模的新规范。

3.结论

对于混流式转轮特别是高比转速转轮来说，设计压力平衡式叶片是非常重要的。而对于低比转速转轮来说，对由叶片通过导叶的压力波的进一步研究是很重要的，这是为了减少压力脉动，避免噪音和叶片开裂。

对于冲击式转轮来说，重要的是要完善建立在正确的射流模型速度分布基础上的CFD 分析。研究的基础是实验室里对速度和压力分布进一步的工作研究。

参考文献

[1] Brekke He 2006 Safety and Life Time of Hydraulic Turbines 23th IAHR Sympo.Yokohama,

Japan, 2006)

[2]Hana M 1999 Numerical analysis of non-stationary free surface flow in a Pelton bucket PhD

dissertation (NTNU TRONDHEIM, Norway) (Ref. ITEV-rapport) p02

[3]Berntsen G S 2003 Numerical analysis of the two-phase Pelton jet flow using a single-phase

model and analytical discussion of the Pelton jet surface break up phenomenon PhD

dissertation (NTNU TRONDHEIM, Norway) (Ref. ENERGI-OG PROSSESTEKNIKK

Dr.ing.- avhandling) p2