水轮机模式液力透平级间导叶的优化

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水轮机模式液力透平是按水力原动机原理设计的工业高余压液体能量回收装置,与目前常用的反转泵模式液力透平相比,其单级利用水头和效率均高,是更适合用于工业余能回收的装置。研究表明,水轮机模式液力透平的级间导叶是影响液力透平水力效率的关键过流部件,因此,对级间导叶进行优化,以便提高能源利用率,避免能源二次浪费,具有重要意义。而级间导叶结构复杂,涉及参数较多,需要对这些参数进行匹配和优化,以使级间导叶在满足下级转轮所需水流切向速度和角度的同时尽量减少级间导叶的水力损失,保证出力和水头的同时,提高效率。因此,液力透平级间导叶优化是属于多参数多目标的问题,优化难度较大。本文基于CFD数值计算,通过改变导叶单个参数,初步分析了级间导叶各参数对透平性能的影响。在此基础上,以级间导叶隔板厚度δ、级间导叶直径D4、级间导叶片数Z、反导叶进口处内壁倒圆角半径Rn、反导叶进口处外壁倒圆角半径Rw为试验因素进行5因素4水平的正交试验。并分别以透平各主要性能参数为指标进行分析,得出了各因素参数对于各个液力透平性能指标的影响规律。本研究结果表明:(1)用于液力透平的级间导叶其反导叶片进口直径取约等于上级转轮出口直径效果较好,过小会增加级间导叶的水力损失,过大会减小反导叶片尺寸降低对水流的强迫作用。(2)增加导叶包角和导叶数可以增强导叶对水流的强迫作用,但同时也会增加导叶的水力损失。(3)一定范围内增加级间导叶直径可以减少级间导叶的水力损失。(4)一定范围内增加反导叶进口处内外壁倒圆角可以降低级间导叶的水力损失,而如果外壁没有倒圆角或者倒圆角较小时级间导叶的水力损失会较大。通过一系列分析和优化,最后以模型总出力和模型总水力效率为综合指标,在本研究所使用的水平范围内得到了较优的级间导叶参数组合,即级间导叶隔板厚度δ、级间导叶直径D4、级间导叶导叶片数Z、反导叶进口处内壁倒圆角半径Rn、反导叶进口处外壁倒圆角半径Rw的最佳组合。使用优化后级间导叶的二级液力透平模型性对比使用原始级间导叶的二级透平模型,总水力效率提高11.8%,总水头由349.769米降低到327.625米(降低6.3%)。模型出力提升8.24%。
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