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轴流转桨式水轮机因自身诸多优点被广泛用于中低水头电站,近年新建、改造中低水头电站中,40m水头段所占比例非常大。由于这些电站建设时间早、机组效率低、稳定性较差,亟待增容改造。因而,开发满足40m水头段电站水力性能要求,流量大、效率高、可用范围广的六叶片轴流转桨式水轮机,对新建和增容改造电站而言,意义重大。本文以苏丹上阿特巴拉项目为应用背景,将40m水头段轴流式水轮机作为研究对象,针对苏丹上阿特巴拉电站参数,对通道进行设计和优化,在此基础上着重对转轮进行改型设计,并对最终优化设计的通道和转轮进行加工,在哈尔滨电机厂有限责任公司高水头试验I台进行了模型试验,发现模型转轮各项指标达到合同要求。此外,将数值模拟结果与模型试验进行对比。本文在设计优化、加工制作、模型试验过程中,主要进行的工作及取得的成果和认识如下:1.采用CFD技术进行数值计算,可根据要求选择计算方式。对全通道设计,为提高工作效率可用分段计算。将全通道进行分割,不同流动采用不同湍流模型。第一部分计算完成后,将其中第二部分进口边界结果取出,作为第二部分进口边界条件,依次类推直至结束。这样不仅可提高计算效率,同时不同流态可用对应的湍流模型进行准确模拟。与此不同,考虑转轮优化工作量大,为进行大批量优化设计,可采用单通道单周期数值模拟。同时,为了对机组的空化性能进行一个前期的预估,可采用两相流模型,通过改变参考压力值的方式,实现不同空化系数的模拟计算。2.考虑轴流转桨式水轮机桨叶可调,进行叶片优化时,若对所有叶片转角均进行计算,其工作量无法想象。改型过程中需对特性曲线移动方向和最优工况单位流量Q11和单位转速n11进行预估,鉴于此,可根据实际情况选择5~10个控制工况点进行计算,根据计算结果,对效率曲线移动方向进行初步预估。3.对轴流转桨式水轮机而言,确定协联工况至关重要。目前主要采用包络线法,但模型试验表明,仅采用包络线法不能准确判定机组协联工况。此时,可与模型试验流态观测结合,通过这两种方法有机结合,可准确判断机组协联工况。上述认识与成果提供了轴流式水轮机优化设计和模型试验的思路,为转轮优化设计理论和数值模拟提供借鉴和技术支持,对开发效率更高、稳定性更好、空化性能更佳的轴流式水轮机,无疑具有重要的理论和工程意义。