弗朗西斯式水轮机导水管中的流量控制技术及其性能分析

《Renewable Energy》：Flow Control Technique in the Draft Tube of the Francis Turbines and Performance Analysis

　　

Tahir Yavuz | Deniz Sarper Semerci

土耳其安卡拉Ba?kent大学机械工程系

摘要

随着人口增长、技术发展和全球变暖导致能源需求的增加，各国开始转向太阳能、风能、生物质能、波浪能和水能等可再生能源来满足这些需求。在水力发电厂中，弗朗西斯涡轮机（Francis turbine）通常是首选的水力涡轮机类型。弗朗西斯涡轮机的效率通常很高，可达90%左右。但在部分负荷或过载条件下，引水管内可能会出现压力脉动和涡流现象，从而降低涡轮机效率，并对引水管出口周围的环境产生负面影响。涡流防止元件（Vortex Preventing Element，VPE）的设计旨在消除引水管内的涡流形成，使涡轮机效率提高1.06%。在涡轮机设计中使用涡流防止元件可以使得引水管内的水流更加均匀，并防止涡轮机引水管出口周围的损坏。此外，回归分析表明，导叶角度、级数和VPE的高度是最有效的参数。

章节摘录

引言

水能是所有可再生能源类型中最具代表性的之一，其全球潜力巨大。选择水能的另一个原因是它可以很容易地转化为电能。尽管这些涡轮机的效率很高，可达90%，但通过防止部分负荷条件、空化现象以及引水管内的涡流形成，仍有进一步提升的空间。

验证

本研究中使用的模型验证基于挪威科技大学（NTNU）下属的挪威水力发电中心（NVKS）进行的Francis-99实验研究[12]。在验证分析中，通过基于挪威Tokke水电站的弗朗西斯涡轮机的几何模拟得到了未安装VPE的模型涡轮机的数据。因此，得出了未安装VPE的经典弗朗西斯涡轮机的结果。

优化

文献中常用的实验设计方法包括田口法（Taguchi）、全因子设计（Full Factorial Design）、中心复合设计（Central Composite Design）和Box-Behnken实验设计。响应面法（Response Surface Method）广泛用于解决非线性问题。该方法通过回归分析来建立模型，并利用回归系数确定主要因素及其交互作用对响应函数的影响程度。

结果与讨论

结果从四个方面进行分析：首先是涡轮机部件内的流速和压力分布；其次是涡轮机引水管内的涡流形成情况；第三是效率；最后是优化结果。如上所述，分析在三种运行条件下进行：部分负荷（Partial Load，PL）、最佳效率点（Best Efficient Point，BEP）和过载（Overload，OL）。计算得出了导叶角度的最优值。

结论

在本研究的范围内，提出了一种新的组件——VPE，旨在消除引水管内的压力波动和涡流形成。这种名为涡流防止元件的装置位于涡轮机转轮和引水管之间。其螺旋结构基于在弗朗西斯涡轮机转轮出口处产生的旋转流方向上制造阻力的原理。

作者贡献声明

Tahir Yavuz：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、研究方法指导。Deniz Sarper Semerci：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、研究方法指导

未引用参考文献

[14], [15]。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

我们使用了挪威科技大学（NTNU）在Francis-99研讨会系列中提供的测试数据。经他们许可，我们从其网站[12]获取了实验数据以验证计算模型。