基于流动数值分析的水轮机蜗壳优化设计研究
2014-03-18石祥钟董小雪王利英
河北工程大学学报(自然科学版) 2014年3期
关键词:设计
石祥钟,董小雪,王利英,岳 莹
(河北工程大学水电学院,河北 邯郸056038)
蜗壳是水轮机的重要组成部件,蜗壳设计是水轮机过流部件设计的重点之一。“等速度距”方法经过长期以来的实践检验,被证明是一种较好的设计方法,但按该理论设计的蜗壳也存在一些问题,如“等速度距”理论假设与实际流动并不相符,椭圆断面部分不符合设计理论(即轴对称有势流动的基本假设),使蜗壳尾部过流面积较小,周向速度增大,水流运动方向改变增大,而使水头损失较大[1]。本文为了探索蜗壳优化设计方法,设计出最理想的蜗壳,采用目前先进的数值分析方法,应用 CFD 软件详细分析蜗壳内部流动[2-4],研究蜗壳工作特性,发现传统设计理论的不足,探索改进方法,实例研究表明,将以CAD-CFD技术为基础的优化设计方法用于蜗壳设计,可得到较好结果。
1 理论蜗壳研究
1.1 理论蜗壳内部流动数学分析
蜗壳主要有两个功能:一是使水流形成轴对称向心流动,将水流从四周均匀引入导水机构和转轮;二是使水流形成轴对称环流,其环量值应满足转轮进口环量要求,使水轮机保持高效率工作。如果假定其中流动为有势流动,一个理论蜗壳中的流动可视为涡和汇的叠加。
在极坐标下,涡加汇的流函数为[5]

涡的环量

汇的流量

解式(1)、式(2)、式(3)且当b为常数时得

式中r-极径;θ-极角;Vr-径向速度;Vu-周向速度;b-蜗壳高度;C1、C2-常数。
由此可知,蜗壳外壁轮廓应为等角螺线。
1.2 理论蜗壳设计
以HL160-25为研究对象,为其设计一个外壁轮廓为等角螺线的理论蜗壳。……
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