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文章编号:1006—2610(2001)02—0026—03
西北水电·2001年·第2期
水轮机设计及改造最新技术—CFD技术
朱 云 郭 维
(西北电业职工大学,西安 710054)
关键词:CFD技术;数字试验台(NTS);流量;水头;水轮机
摘 要:文章就当今水轮机设计及改造中采用的最新技术CFD技术—计算机模拟流态分析技术作了概要说明。它给了我们一种全新的水轮机设计理念;同时对水轮机模型试验中CFD技术的应用—NTS(数字试验台),作了说明与介绍。随着计算流体力学及大功率计算机的发展,此项技术正在成为水轮机设计与改造的主流。中图分类号:TM312;TP3 文献标识码:B
近几十年以来,水轮机的设计均是通过模型试验进行开发、优化并得以验证。这已成为本行业对水轮机优化设计及性能验收的标准做法。模型试验已发展成一种具有相当高技术水平的设计方法,可在水力机械的全部运行范围内精确地测定运行特性。然而,虽然模型试验技术已很成熟,其成本却十分高昂,所需时间也长。
今天,先进的计算机流体动力学研究工具—CFD技术,正逐步成为水轮机设计的主流,无论是在新水轮机设计还是在老水轮机增容改造中都发挥着巨大的作用。使用先进的CFD技术与模型实验技术相结合,设计开发的水轮机有着极其优良的性能。对于大型水轮机,由于通过数字试验台(NTS)与模型试验(MTS)可获得充分的设计数据并使性能改善,模型试验的费用与时间能够为项目所承受。但对于小项目来说,使用NTS及MTS的费用可高达项目总成本的30%,这样大多数的小电站就难以承受。对这些小项目来说利用先前的模型试验结果,加上数字模拟实验技术(NTS),尽可满足电站的要求。这种试验方式正日益成为用户的首选。为了更好的说明转轮设计最新技术CFD在当今电站设计及改造中的良好应用,我们将概要介绍CFD(计算机水流动态分析)技术及应用和NTS(数字试验台)系统的应用状况。
1 CFD技术在水轮机设计及改造中
的应用
在传统的水轮机选型设计中,型谱是水轮机选型的主要依据。而型谱是在长期的生产实践和科学试验的基础上,编制并推荐使用的,能适用于多数水头段水轮机型号选择。由于每一个水电站,它都有其自身的特点,根据型谱选取的水轮机型号一般难以满足电站实际工况的最优选择。能否根据电站的水头、流量及其它相关参数所描述的流场来设计最优的水轮机叶型,一直是设计人员梦寐以求的。虽然纳维尔-斯托克斯方程描述了不可压缩实际流体的运动特性,但求解该方程一直难于实现。随着计算流体力学的发展和大功率计算机的出现,一些可以数字化解决纳维尔-斯托克斯方程(即粘性流动方程)的先进的流态模拟技术产生了。这使得预测水轮机全范围运行特性,即从最佳效率到满负荷、到部分负荷的全部运行范围的运行特性成为可能。所谓CFD技术就是用计算机来模拟水流的流场(所采用的软件称为水流动态分析软件),在此基础上建立起水轮机各流道(如:蜗壳、导水机构、转轮、尾水管等)的应用软件,利用它们进行水轮机流道及叶型设计。通常水轮机的水力设计分为3个步骤:
1)根据给定电站的设计参数,确定水轮机的比转速ns和过流部件的流道尺寸。以便对蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮及尾水管进行水力设计;
2)计算机分析。通过从蜗壳进口至尾水管出口全部过流部件的水力损失分析,确定水轮机过流部件的型线尺寸并进行优化设计; 收稿日期:2000-08-30
作者简介:朱 云(1963—),男,江苏省扬州市人,讲师,在西北电业职工大学任教.
西北水电·2001年·第2期
3)通过少量方案(一般只有1～3个方案)模型验证试验,获取最佳模型水轮机以满足市场竞争的需要。
目前,这些方法代表了最尖端的预测复杂的三维流态的技术,因为它包含了流体粘度与紊流现象对流态的影响。在应用这些现代工具时,考虑了水轮机转动部件与固定部件之间的水流的相互影响,即转轮与导叶之间,转轮与尾水管之间的水流相互影响,以期获得精确可靠的分析结果。这些预测的结果包括了整个水流范围内3个部件的速度场、压力场、摩擦引起的各种力以及各种紊流量。由于这些因素的作用,水轮机有关特性参数如效率、流量、水头、出力、空蚀等将会恶化。流场分析的结果可以使设计人员了解流态特征,辨明哪些是所需要的水流特性,哪些是不需要的水流特性,从而确定其设计是否合理,或者还需要某种改进。然而,必须注意,到目前为止,使用计算机流体动力学工具,尚不可能确切地预测水轮机效率的绝对水平。当然,一个优秀的设计师,可以通过计算获得比较接近实际的估算值。
作为CFD技术在水轮机设计及改造中的另外一个重要应用——数字试验台(NTS),其在水轮机设计及改造中正发挥着越来越重要的作用,用计算机来做水轮机模型试验不但设计和改造的时间和费用大大降低,而且所作出的特性曲线与模型试验的特性曲线已相当的吻合。尤其在一些特定点上(比如:在额定工况点、最优工况点、发生空蚀点)。下面就NTS的应用作进一步介绍。
图2 试验时间比较图1 相对试验费用
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小型改造项目,包括大型单机改造项目,由于设计开发、数字模拟试验加上模型试验的总费用可能会超过水轮机供货的30%。因此一般来说,用户承担不起如此高昂的开发试验费用及时间。大多数的
小型混流式水轮机改造项目,采用对已经模型试验的相关的大型水轮机项目进行数字模拟试验而不再进行模型试验,这已经成为被接受的标准方式。有关用“NTS”还是“作全相似模型试验”或“部分相似(NTS与模型试验结合来作)”,它们所占时间及费用如图1、图2所示。
2 数字试验台(NTS)在水轮机设计
及改造中的应用
所谓数字试验台就是用计算机来做水轮机模型试验,即通过计算机来模拟水轮机模型试验的过程。CFD技术的这项应用不仅能改善设计性能,对用户来说,还可降低开发及改造成本,缩短项目周期。
对大的水电项目,特别是那些有特殊要求的电站,一般均采用数字化性能评估与全相似模型试验平行结合的方式,以达到富有挑战性的目标。其所用的时间,比较以前常规的开发方式,能大大缩短。大型新项目,水轮机实际开发加上模型试验验证的费用,可以占到水轮机价格的0.5%～3%。而大型改造项目,因为硬件供货通常只有转轮及一些固定部件,开发费用一般要占水轮机合同价的5%～15%。如果采用数字模拟实验,加上部分相似模型试验,一些改造项目的开发试验费用可降至原费用的70%～90%,而开发试验时间可缩短到3～6个月。对混流式水轮机,利用性能较好的现存模型及模型试验结果进行数字模拟试验开发,可使最高效率出现在理想的水头及流量上,可满足所需的出力,可获得良好的运转特性。空蚀起始点也可以很好地加以预测。但效率预测则不如相似模型试验的结果精确,设计点±15%范围内误差约为±0.5%,全运行范围内误差约为±2%。流体作用在导叶及转轮叶片等部件上的载荷可以用数字预测,而对于其他的水力参数,如水力矩、飞逸速度、压力脉动特性、轴向水推力、四象限特性等,必须参照原有相关已经试验的十分可靠的数据,加上有限的数字模拟试验,方能预测。对小型水轮机与改造项目,采用基于已经模型试验的相关模型数据进行数字模拟试验的方法,虽然不能象模型试验那样获得精确的性能参数及其他项目参数,却是唯一的能使用户负担得起的办法。过去几年中由于CFD技术的改进,再由于用户对于费用的考虑,单独采用数字模拟试验技术开发设计的28西北水电·2001年·第2期
有一点必须指出,这些数字工具在一个熟练的使用者手里可以做出有价值的产品,而一个毫无经验的人使用这些CFD工具可能会导出完全与实际不相符的水力结果。
(2)数字模拟试验技术作前导进行模拟试验可为大型项目提供最佳的设计。单独采用数字模拟技术来开发水轮机可以获得十分优良的设计,并可为用户节省大量的开发费用与开发时间。然而对于那些大型的技术难度很高的项目,模型试验费用对于整个项目供货价格只占一小部分,因此,采用数字开发与模型试验相结合的办法可使性能进一步改善,其仍然能够为项目提供一个低成本的经过优化的设计。
(3)大多数中小型新建电站项目以及许多改造项目,最经济有效的选择是采用数字模拟试验技术。数字模拟技术的应用,不仅仅限于新的电站项目。对于那些运行中存在着水力问题的现存机组和需要改变原设计中一些缺陷进行增容改造的机组,也可采用这些尖端技术进行调查与研究,找出这些问题的症结,并提出根治这些问题的各种方案。采用这种技术不仅能快速、有效、直观的发现及解决问题,而且能大大降低改造费用与改造时间。
(4)目前的数字模拟试验技术尚未完善,有待发展。当今,这些工具已经做得很好,但还不是尽善尽美。今后的发展是要使数字流体模拟技术能够精确地提供对能量损失、不稳定影响及液体—气体流场特性等方面的预测。目前,在该领域正在进行研究开发的就是这样一个课题。
电站项目的百分比已得到较大的提高。如图3所示。
图3 采用数字模拟试验技术开发设计的电站项目的百
分比
3 用先进的CFD技术对水轮机性能
进行数字化研究的优点
(1)数字模拟技术给设计人员提供了:
1)洞察整个三维流场;
2)二次及三次流的影响;
3)流态过程中物理特征的感性认识; 4)评估设计改变所产生影响的一种工具; 5)获得高水平性能设计的能力。(2)数字模拟试验技术使水电项目业主受益: 1)设计开发与验证所需的时间缩短; 2)设计验证费用比模拟试验低; 3)较好的运行性能;
4)更快地体现优化所产生的效益。
4 结 论
(1)CFD工具的开发者与使用者之间的密切配合可获得最大的效率。数字流体模拟技术这种分析工具可以使设计人员洞察流场内部的详细变化,更好地了解水力机械内流体的物理性能,从而已成为一种强有力的可靠的水力机械设计与发展的手段。
参考文献:
[1] 武汉水利电力学院,华东水利学院编.水力学[M].上海:高等
教育出版社,1984.
[2] 曹昆鸟,姚志民.水轮机原理及水力设计[M].北京:清华大学出
版社,1991.
日本开始研制太阳能发电卫星
日本经济产业省2001年度开始研制利用人造卫星进行太阳能发电。其设想为,在高36×106m的静止轨道发射一枚卫星,在卫星两翼安装宽1000m、长3000m的太阳能发电板,产生的电力通过直径1000m的
天线向地面发射微波传输。地面则设置直径数千米的接收天线。发电卫星预计重20000t,约需资金2兆多日元,发电能力为1MW。
(《四川水力发电》编辑部 李燕辉供稿)
No.2June20,2001
NORTHWESTWATERPOWER
ABSTRACT
(TotalNo.76)
Applicationofhigh-pressurejetcement-stabilizedpilesinspecialstrata
FENGJun-hai
(NorthwestInvestigation,Design&ResearchInstituteStatePowerCorporation,Xi'an710043)
KeyWords:high-pressurejetcement-stabilizedpile;specialStrata;rationalparameter;repeatedjettingandmixing
Abstract:Thehigh-pressurejetcement-stabilizedpilesenjoytheadvantagesofquickconstruction,lowcost,easyoperation
andlittleimpactonenvironment.Itissuitablefortreatmentofmud,muddyearth,siltyearthandclaygroundswithhighwatercontentandlowbearingcapacity.Fromtheviewpointofengineeringpractice,thepaperdescribeshowtodeterminetheparametersrationally,optimizeconstructiontechnologyandmethodandtoenablethecompositegrounduptothedesignrequirementforbearingcapacitywhenitisappliedinspecialstrata.
Restudyingonsomeproblemsinpossiblefailure
mechanismofMalpassetarchdam
LI Zan
(NorthwestChinaHydroelectricInvestigationDesignandResearchInstitute,Xi'an 710054)
Keywords:fallingarch;possiblefailuremechanism;deformationstability;seepagestability;slidingstability
Abstract:Thearticleanalysestherupturekindsofthewholecollapsebound,explainstheformoftheworkingmechanismof
thefallingarch.Combiningthediscussionconcludedbeforeandonthebasisofanalysisinthisarticle,itfurtherputsthemainpathofthepossiblefailuremechanisminanutshell.Inthelongtermprogressivefailure,thestabilitiesofdeformation,seepageandslidinghavebeenlostjointly.
ApplicationofWISAformworkinconstructionofdownstreamwalloftheThreeGorgespowerhouse
GANQiang
(NorthwestChinaHydroelectricInvestigationDesignandResearchInstitute,Xi'an 710065)
Keywords:ThreeGorgesproject;WISAformwork;application
Abstract:Inhydropowerprojects,thearchitecturalfitmentoflargeareawallshasalwaysbeenadifficultproblem.The
downstreamwalloftheThreeGorgespowerhousewithatotalareaof20900m2isdesignedaspermenantlyunfitupwallwithhighconstructionqualityrequirements.ItsconstructionadoptedtheadvancedtechnologyofFenlandWISAformworkandobtainedsatisfactoryresults.Astheconstructionsupervisor,theauthorinvolvedinthetrialuseofWISAformworkandgainedsomeexperience.Thepaperpresentsasummeryofitsapplicationinlargehydropowerproject.
Recentdesignandrefurbishingtechnologyofwaterturbine—CFD
ZHUYun&GUOWei
(NorthwestElectricalStaffTrainingCollege,Xi'an 710054)
Keywords:CFDtechnology;NTS;flux;waterhead;waterturbine
Abstract:Thepapergivesabriefintroductiontothetechnologyofcomputersimulativefluidstate—CFD.Itbringsinanew
conceptofwaterturbinedesign,emphasizingtheapplicationandeffectofCFDtechnologyindesignandrefurbishmentofwaterturbine,thefeaturesofCFDtechnologyandapplicationofCFDinwaterturbinemodeltest(numerictest-bed).Withthedevelopmentofcalculationhydromechanicsandhigh-powercomputer,thistechnologyiscomingtobethemainmethodofdesignandrefurbishmentofwaterturbine.
