第一章 绪论

1.1 研究本课题的背景及意义
由蜗壳和固定导叶组成的水轮机引水部件的水力设计对水轮机的性能有举足轻重的作用。我国西部地区受自然条件的限制，河流含泥沙量较大，传统的蜗壳设计方法基本上都是按照蜗壳内任意一点的 设计的。随着蜗壳鼻端半径减小含泥沙水流速度增大会造成鼻端的局部损失得加大和严重磨蚀，从而影响水轮机的正常运行，降低蜗壳的使用寿命，造成严重的经济损失[3]。如青海省鼓浪堤水电站曾经出现水轮机蜗壳被磨穿造成停机了的严重后果。我国西部水力资源丰富，中小水电站星罗棋布，水轮机蜗壳的磨蚀是威胁机组安全运行的一个隐患。多年来，水轮机蜗壳中的磨损一直是国内外的一个研究课题[4]。近年来比较切实可行的做法是将磨蚀严重的鼻端割掉，重新焊接鼻端。本课题正是从蜗壳的改造而不是整体更换蜗壳的设想出发，希望能在改造过程中改变蜗壳磨蚀较为严重的鼻端部分的型线，使鼻端的水流速度比原设计速度有所降低，从而达到减轻磨蚀，提高蜗壳寿命的目的。这就需要从蜗壳水力设计方面着手，改进蜗壳的型线与结构以减小磨损使之能长期运行在多泥沙水流的恶劣工况下，从一定程度上解决蜗壳在多泥沙水流中的磨蚀问题，提高蜗壳使用寿命，减少因设备原因造成的出力下降甚至停机。 我国农村小水电资源丰富，可开发量达７１８７０ＭＷ，分布在全国１５００多个县（市）。到２００１年底，已建成农村水电站４万余座，装机容量达２８７９０ＭＷ，占全国农村水电资源可开发量的４０％，其中运行３０年以上的小水电站的装机容量１５３０ＭＷ，运行２０年以上的小水电站装机容量７５７０ＭＷ，分别占已建成的小水电站总装机容量的５．３％和２６．３％。这些小水电站的特点是：装机容量小（大多在５００ｋＷ～３０００ｋＷ以下），台数多，技术落后，效率低，制造质量差，安全生产隐患多［5］。有的已经改造或停运，有的正在改造，更多的则急需进行技术改造。如果仅用改造而不是整体更换设备的方法可以达到提高机组寿命和水力效率的目的，则产生的效益是不可估量的。
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第一章 绪论
第二章 几何建模与网格划分
第三章 流场CFD计算
第四章 计算结果与分析
结 论

[1] 王福军.计算流体动力学分析——CFD软件原理与应用[M].北京:清华电学出版社,2004.
[2] 朱云,郭维.CFD技术在水轮机设计及改造中的应用[J].陕西师范大学学报(自然科学版)2001(29):45-48.
[3] 王成民.我国水轮机泥沙磨损课题的研究[J].黑龙江电力,2000(6):53-56.
[4] 代永成.部分国外公司对泥沙磨损的研究及对策[J].东方电气评论,1998(3):192-196.
[5] 李仁年,袁建平.含沙水流条件下水轮机蜗壳优化设计方法[J].甘肃工业大学学报,1998,24(1):46-51.
[6] 敏政,刘有余等.小型轴流定桨式水轮机的技术改造[J].甘肃科学学报,2003(3):82-85.
[7] Andrej L.Numerical analysis of three-dimention flow through turbin spiral case Proc.of 17th IAHR Symp.,Beijing,1994,59-70.
[8] Ruprecht A.Numerical analysis ofthree-dimention flow through turbine spiral case,stay vanes and wicket gates. Proc.of 17th IAHR Symp.,Beijing
,1994,71-82.
[9] 罗兴绮,彭国义,郭齐胜等.水轮机过流部件水力设计的研究与发展[J].水利学报，1996(10):1-5.
[10] Wu E R. Finite element modeling and flow prediction for a spiral case.Proc. of 11th IAHR Symp.,Amsterdam,1982.77.
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在流体机械特性研究中，计算机辅助设计工具变得越来越重要［1］[2]。特别是计算机辅助生成的流体动力学的计算结果（Computational Fluid Dynamic，CFD)越来越多地被流体机械研究者所使用。一方面使用CFD来研究流体机械内部流场可以节省宝贵的实验资源；另一方面它可以显示不能从试验中测量到的很多流动特性的细节。所以，CFD有着非常重要的理论和经济意义。
本论文所做的工作主要有：从蜗壳的改造而不是整体更换蜗壳的设想出发，希望能在改造过程中改变蜗壳磨蚀较为严重的鼻端部分的型线使鼻端的水流速度比原来设计的速度有所降低，从而达到减小摩擦损失和磨蚀，提高蜗壳性能和寿命的目的。具体方法是将原来磨损严重的尾段割掉后，将重新设计平均流速的尾段作为改型后的尾段安装上去，由于放大了尾段截面积，从而达到了解小尾段平均流速，减小泥沙磨损的目的。通过对改型前后两种蜗壳进行几何建模，采取完全相同的网格划分方法和FLUENT计算参数设置，通过计算得到两种蜗壳在相同工况下流态的差异。
本论文主要的研究成果如下：
改型后的蜗壳较改型前有更优异的水力性能，降低蜗壳尾段流速，减小泥沙磨损,为大型混流式水轮机蜗壳的型线优化设计提供了有益的参考.得出结论如下：
(1)蜗壳内部流态复杂，改造前后蜗壳全段均不严格符合 ，改型后包角 段 较改型前小；
(2)改型后的 在改型段的最大平均值比改型前有明显的减小，通过计算得出改型后蜗壳寿命约为原蜗壳寿命的1.2倍；
(3)改型后蜗壳出口液流角在改型段 以后比改型前有明显增加，在尾部最后一个固定导叶入口产生较大的冲角，应该对原蜗壳固定导叶进行修型，来减小撞击损失,提高水力效率；
运行三年后的检查结果表明改型蜗壳的尾段磨蚀情况有了明显的减小，本改型方案为大型混流式水轮机蜗壳的型线优化设计提供了有益的参考。