混流式水轮机发电转空载工况转轮特性研究

随着水电站逐步转向调荷运行,水轮机过渡工况运行时长增加将严重影响转轮性能。本文针对发电转空载过渡工况,以某混流式水轮机为研究对象,采用SST k-ω湍流模型与流固耦合方法分别求解内流与结构特性。研究结果表明：转轮内水流压力脉动频率为导叶、叶片频率的倍数,且在发电转空载过程中转轮内各监测点的30f_n、60f_n脉动幅值相近,幅值范围随着导叶关闭而逐渐缩小;转轮内涡旋结构主频为64f_n、68f_n,其脉动能量沿流线减小,随着转轮进口来流角β的减小,进水边压力面流动分离现象加剧,进一步出现绕流形成马蹄涡和高湍动能区域,涡旋体积随负荷持续减小而先增后减;0.4Q_BEP时叶道涡延伸至转轮出口侧,且在t=7 s时(0.2Q_BEP)涡核分裂,各叶间涡连成片状阻塞流道。结构方面：偏离设计工况使得来流撞击叶片进水边导致等效应力的增加,叶间流场马蹄涡位置与低等效应力区相对应。因涡核分裂与尾水管进口空腔旋涡双重作用,转轮出口边出现最大等效应力(4 MPa)与变形量(4.3 μm)。内流与结构关联上：转轮流道约前三分之一区域的等效应力与转矩、流量成线性关系,而转轮流道约后三分之二区域为三次函数关系。此外,变形量在负荷主导区与力矩、流量亦成线性关系,在回流主导区是二次函数关系。