一种新型被动减速技术对弗朗西斯涡轮机抽气管中旋流强度和压力波动的降低效果

《ARABIAN JOURNAL FOR SCIENCE AND ENGINEERING》：Effect of a Novel Passive Decelerator Technique on Reducing Swirl Intensity and Pressure Fluctuations in a Francis Turbine Draft Tube

涡流环控制技术在Francis水轮机尾管应用中，提出中心置放的独立 swirl减速器结构（SDS），包含开槽圆柱、层叠圆柱等四类创新结构，通过CFD模拟验证可降低涡流强度39%、压力波动59%，但导致效率下降0.93-1.86%。基于综合性能函数实现设计优化，采用傅里叶变换确定最差工况，并通过实验验证模型准确性。

　　

摘要

在非设计条件下，弗朗西斯涡轮机导流管中形成的涡流绳会导致由于压力波动而导致的性能下降。本研究介绍了一种称为“旋流减速器结构”（SDS）的新颖被动技术，该技术通过降低流动的旋流强度来减轻压力波动。与主要作用于近壁区域或需要对涡轮机进行几何改造的以往被动方法不同，SDS是一种独立的结构，位于导流管锥体的中心，能够直接作用于涡流核心，而无需对涡轮机的几何形状进行永久性更改。该技术包括四种新型结构（开槽圆柱、分层圆柱、细密圆柱和垂直板），这些结构通过在真实的弗朗西斯涡轮机上进行的计算流体动力学模拟进行了设计和数值评估。结果表明，SDS可将旋流数降低多达39%，波动幅度降低多达59%，显著抑制了涡流绳效应。然而，这些结构使涡轮机效率略有下降，介于0.93%到1.86%之间。为了平衡这些权衡，定义了一个整体性能函数来评估SDS的性能并帮助进行最优设计选择。在评估SDS之前，首先对涡轮机在不同非设计条件下的运行情况进行了模拟。通过快速傅里叶变换分析壁压波动，确定了最恶劣的运行点。实验测量数据用于验证数值模型的准确性。据我们所知，这是第一项针对涡流中心使用独立减速器结构来降低旋流强度的研究，为涡流绳控制研究做出了独特的贡献。