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2013．N13 国 外 大 电 机 一 种与水斗式水轮机相关的设计 (挪威)BWSolemslie等 [摘 要] 水轮机设计通常与公司机密密切联系，因此在不同科研单位之间，在特定水轮机几何尺寸方面开 展创新和合作是非常困难的。在 NTNU(挪威科技大学)水力实验室中有一个博士项 目，致力于设计几种水 斗式水轮机模型，包括物理模型在内所有的测量数据、模拟、设计理念、设计软件都将公之于众。本文还将 对本项目使用的试验台和方法做简短描述，基于经验数据进行设计，并使用NURBS作为水轮机几何尺寸的描 述方法，在设计过程中还使用 CFX (计算机流体动力学软件)和SPH(光滑粒子流体动力学 )模拟，与该项 目相关设计和制造的每台水轮机，都是在以前设计积累的经验和知识基础上进行的，首台水轮机设计思路则 是基于流经水斗的相对转动速度基本恒定进行的。 获得的知识和经验的基础上进行的，这里所有的资料 1 前言 均将公开发布，并且之后还将各种追加信息或软件通 自1889年水斗式水轮机首次被授予专利以来，就 过刚制作的网页公之于众。本文将对上述工程中提及 一 直是众多课题的研究对象 ，有此基础并因为我们处 的设计理念、方法、计划采用的模拟方法和实验设备 在科技时代，人们会认为我们已经完全搞懂了水轮机 进行阐述和讨论。 中物理学现象，比如流动机制等。然而实际上我们对 2 设计理念 水斗式水轮机没有完全认识，对部分物理学现象尚未 完全参透。由于对水斗式水轮机流动认识的空白，使 水斗式水轮机设计方面可获得的文献少之又少， 得许多领域的人、众多科研团体对其兴趣倍增。 这源于工业系统的竞争原因，由此导致大环境设计方 这是归因于全球性 日益增长的能源需求，以及对 法和创新方面是必威体育官网网址的。本项 目计划应用一种基础的 可再生性能源逐渐增长需求的不断关注。水轮机效率 设计方法，以使转轮中水流相对速度保持近似恒定。 方面 0．1％的提升 ，就会给电能带来巨大增长。现以 要达到此 目标，必须使表面曲面保持一致，以供水流 Bieudron电站为例进行说明，该电站从水头 (1869m) 从不同方向流过转轮，如图 l所示。由于水轮机的相 和单极容量 (423MW)方面是世界上最大的水电站， 对运动，冲击在水斗上的射流会改变，因此必须确定 0．1％的效率增长意味着单机功率有 0．432MW 的增长 出冲击的优先次序。 量。如果机组全年正常运行 ，那么所增发的电能大约 研究水斗式水轮机转轮采用的理论方法为，当水 相当于2009年挪威 182户家庭平均的电能消耗Ll】。 流正交射向转轮分水刃时，要研究转轮中心处的一个 能源行业的创新与公司机密紧密联系，对商业公 横剖面，亦即通过射流中心的一个横剖面，如图l(a) 司设计的水轮机所进行的所有科研均属商业机密。因 所示 。 此不同科研机构之间没有共同的实践案例，使他们没 2．1 与设计相关的物理条件的限制条件 在各 自的特色领域中进行合作。正值此时NTNU水力 当时 N仆 水力实验室持有的轮毂可适应首次 实验室有两个公开的相关水轮机项 目，一个混流式水 设计的不同水轮机互换水斗的要求。上述轮毂可安装 轮机和一个可逆式水泵水轮机，所有感兴趣的人均可 的水斗限额为22，轮毂的直径与试验台的尺寸条件限 轻易获得此项 目的设计理念和相关软件，还有模拟方 制了水轮机的直径。原有试验台的喷嘴是可用的，因 案和结果、模型实验结果以及水轮机模