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结合 CFD分析和模型试验对立式水斗式水轮机进行现代化改造 2016N．02 结合CFD和模型试验对立式水斗式 水轮机进行现代化改造 (德)ReinerMack等 [摘 要] 水轮机现代化改造承载着增大已安装水电机组容量的重要任务。在许多改造项目中，在现有的水 路基础上 ，可以使有效排水能力和能量输出有一个质的增长。同样，在改造之后对水力、机械和电气设计进 行整体优化也可以在一定程度上提高可用能量 。在有效的设计手段的应用过程中，水斗式水轮机流量的两相 特性需要特殊关注 ，水轮机高压区流量是主要的特性之一，可使用标准工具 CFD来研究射流质量 、探究导致 自由表面劣质的扰动来源。还可使用CFD来分析转轮水斗和射流之间的相互作用。然而，因为冲击式水轮机 的数值模拟属于两相、瞬时流动过程 ，水力效率方面很难做到高精准度的预测。因此，我们总是通过对水轮 机模型的测量来检查转轮水斗的优化成果。水流从转轮排出后，机壳流量也存在一个相似的情况，同样也可 以利用 CFD技术进行研究。然而 ，由于两相流动的特性，只要机壳中有水流动，我们就需要对这个位置进行 优化设计。本文给出了立式水斗式水轮机电站现代化工程设计的两种不同的方法，展示了如何用CFD来确定 高压区损耗，以及如何将这些结果与模型试验相结合起来分析，本文最后讲述了水轮机模型试验结果和原型 测量结果的系统对 比。 [关键词] 水轮机 ；水斗式 ；立式 ；CFD分析；模型试验 1 前言 模拟。如Rohne等人在[8]中所述，当今，流体的数值 预测显然成为水力设计的重要部分。然而，无论何时 对所有类型的水轮机，从水流的物理现象角度来 效率值的获得以及流体流动特性的分析都在设计中占 分析，冲击式水轮机是最为复杂的类型。在反击式水 有至关重要的地位，因此模型试验是不可缺少的。 轮机中，大部分情况可以将流动类型近似为单相、稳 这里列举一个立式水斗式水轮机的典型实例，奥 态流动，而对于水斗式水轮机来说 ，其流动现象需要 地利阿尔卑斯山脉的Luenersee电站安装的机组。该机 当做两相、全瞬态来看。另外，水斗式水轮机喷嘴下 组建于 1954年，1958年建成，Luenersee抽水蓄能电 游的流动不是单相流动，有必要应用物理模型来实现 站为主要电网供电，该电站共安装 5台三元机组 ，每 自由面的预测和重建。因此，水斗式水轮机数值模拟 台包括一台电动发电机、一台4喷嘴水斗式水轮机、 的计算要求要远高于常规的混流式水轮机的数值模 一 台液力变扭器和一台五阶蓄能泵。该电站安装的水 拟，并且预测精度也没有反击式水轮机那么高。 斗式水轮机有两种不同的设计，在水轮机现代化改造 15年前，模型试验是唯一的水斗式水轮机水力设 前主要的技术参数如表 1所示。 计方法。Lazzaro等 】和 Brivio[]展示了基于开发成果 表 1 现代化改造前 的技术参数 进行的模型试验典型实例。在一定程度上，那时的设