轴向流的设计方法跑步者专注于轴向流速均匀化及其应用的轴流式水轮机超小

文摘

我们提出一种可移植的、超小轴流式水轮机能够生成电力相对容易使用等公开渠道的低水头现有管道管道或小河流。此外,我们提出一个简单的设计方法对轴流选手结合传统的一维设计方法和轴向流速均匀化的设计方法,用三维流分析的支持。将我们的设计方法应用于超微小轴流式水轮机的流道设计的性能和内部流选手使用CFD分析和实验研究(性能测试和PIV测量)。结果,跑步者与我们的设计方法设计显著提高涡轮效率相比原来的跑步者。具体地说,在实验中,一个新的设计0.768的选手取得了涡轮效率。这个原因是,绝对速度的轴向分量的新设计的跑步者相对统一的运动员出口与原来的运动员相比,因此,提高了负旋转流。因此,我们已经验证了设计方法的有效性。

1。介绍

传统,水力发电被用于大规模设施产生电力有效地利用高或中等水头。然而,地方足够的可用头的数量减少。此外,大型设备的安装需要大型土木工程项目,这对环境产生重大影响。因此,人们认为小型水力发电涡轮机中可用的情况下的低头;这样的涡轮机将用水等在公开渠道现有管道管道或小河流1- - - - - -4]。也预期,因为轴流式水轮机尤其适合低着头的应用程序,它们将被广泛实现如果他们减少在大小和便携式(5- - - - - -8]。然而,小轴流式水轮机极低雷诺数(约1×10⁵);因此,很少有翼型是适用的。此外,设计方法并不完善。

顺便说一句,在水力涡轮机,弗朗西斯水轮机的设计进行了优化近年来使用实验设计和优化算法(9- - - - - -11]。然而,大量的样本数据需要被收购,获取最可行的解决方案是耗费时间;因此,计算负载的增加。因此,重要的是要建立一个简单的设计方法,设计可靠、高效轴流式跑步者从零状态没有示例数据。

在此背景下,在这项研究中,我们提出一种可移植的、超小轴流式水轮机可以生成电力使用开放渠道,例如现有的低着头管管道或小河流。的跑步者和引导叶片水轮机的设计是使用传统的一维设计方法[12,13,他们的表现和内部流动进行数值分析。此外,我们提出一个简单的设计方法对轴流选手结合传统的一维设计方法和轴向流速均匀化的设计方法,用三维流分析的支持。这种设计方法可以决定跑步者的独特形式的基础上的定量数据在使用三维流道进口和出口速度分布流分析。因此,我们相信,我们的方法可以为跑步者提供可靠和高效的性能相比,该方法在设计师经验重复形状的变化通过检查分析结果从内部复杂的三维流动。将我们的设计方法应用于超微小轴流式水轮机的流道设计的性能和内部流选手使用数值分析研究。此外,作为验证,我们使用一个实际的做了一个实验装置,验证了该设计方法的有效性。

2。轴流式跑步者的简单设计方法

在这项研究中,我们提出一个简单的设计方法对轴流式跑步者,专注于轴流速度均匀化。这种设计方法是一种结合传统的一维设计方法(12,13),轴向流速均匀化的设计方法,用一个三维流分析的支持。设计流程图如图1。首先,跑步者设计的基础上,传统的一维设计方法。速度分布在进口和出口处标跑步者的研究的基础上,三维流分析。接下来,轴向流速均匀化,执行和桨叶角弦长流道的修改。跑步者的表现是使用三维流分析验证。如果没有达到目标性能,轴向流速均匀化执行。通过迭代的过程,设计过程完成时,性能达到其目标。我们认为,这种设计方法是有效的情况下,在低雷诺数等因素或特征数据的机翼尚不清楚和假定流的一维设计方法强烈偏离实际的三维流动。以下是常规设计方法的细节(12,13),轴向流速均匀化的设计方法。

2.1。一维设计方法

特定的速度计算使用以下设计参数:有效的头、涡轮输出和转速。

使用特定的速度,获得(1图()和设计12),圆周速度系数,中心比率,轴向速度系数计算。此外,圆周速度小费的外直径一个跑步者,中心直径得到以下公式:

此外,轴组件的绝对速度和流量得到以下公式:

接下来,将叶片分成几部分从中心到末端,涡设计决定。引用特定的速度叶片的数量确定,然后呢在每个径向点计算以下表达式:

这个运动员的速度三角形如图2(13]。在每个径向点、机翼和攻角被选中。通过估算液压,弦长和平均相对气流角运动员之间的进口和出口都是计算使用以下表达式(13]:

在这项研究中,叶片从中心到末端,分为四个部分,计算五个径向点执行。这种涡设计类型是一个免费的漩涡。在每个径向点翼型选择MEL031 [14]特征数据存在低雷诺数。攻角是= 2°。然而,考虑到基于弦长和相对速度的雷诺数低至约1×10⁵、液压效率估计= 0.7 (η= 0.659)。

此外,叶片角度得到以下公式:

最后,考虑到漏失,叶尖间隙。

一维导流叶片的设计方法如下所示。导叶的外径是跑步者的外径的大小加上叶尖间隙,和中心的直径是一样的跑步者。将叶片分成几部分从中心到末端,涡设计决定。引用特定的速度叶片的数量确定导叶,然后在每个径向导叶的观点计算以下表达式:

在每个径向点、机翼和攻角导叶的选择。假设导向导叶入口是零(),导叶出口。平均绝对流动角之间的导叶进口和出口和桨叶角计算使用以下表达式(15]: 在哪里是平均绝对速度的轴向分量之间的导叶进口和出口。

此外,弦长得到的导叶从下列公式15]:

在这项研究中,导叶的叶片分为四部分从中心到末端,并计算五个径向点执行。这种涡设计类型是一个免费的漩涡。在每个径向点翼型选择MEL031 [14),攻角= 8°。

2.2。轴向流速均匀化的设计方法

通过执行一个三维流分析为运动员设计的一维设计方法所示部分2.1的分布,运动员的绝对速度的轴向分量计算进口和出口。使用这些速度分布,轴向流速均匀化。具体来说,轴组件跑步者之间的平均绝对速度进口和出口的基础上计算的值在每个径向点分析。轴向流速均匀化后被执行时,轴向组件跑步者之间的平均绝对速度进口和出口都来自以下表达式:

在这里,的轴向分量意味着运动员之间的绝对速度进口和出口基于使用一维设计方法设计值。

因此,在执行轴向流速均匀化之后,弦长和桨叶角从公式(11)。

在这里,是指运动员之间的相对速度进口和出口的基础上,利用一维设计方法设计值。

此外,跑是均值相对气流角之间的进口和出口的基础上,使用一维设计值设计方法。

如上所示,弦长和桨叶角在每个径向点被修改,然后执行修改后的跑步者的三维流分析。验证的性能和轴向流速均匀化迭代,直至目标性能。在这项研究中,目标性能涡轮效率。

3所示。测试水轮机

超微概述轴流式水轮机提出了研究如图3。这个水轮机是容易携带。目标设定如下:有效的头= 1.5 m,涡轮输出= 100 W的转速最小值⁻¹和涡轮效率= 0.75,这样可以获得实际的涡轮输出时,汽轮机在低水头值实现。特定的速度所示公式(1)是469分钟⁻¹千瓦,m]。考虑到基于弦长和相对速度的雷诺数低至约1×10⁵在一维设计方法,设计值设置如下:有效的头H= 1.5 m,涡轮输出l在转速= 75.5 W最小值⁻¹,涡轮效率= 0.659。

概述中所示的示例跑步者的数字4(一)- - - - - -4 (d),尺寸如表所示1。这里原来的流道设计只使用传统的一维设计方法所示部分2.1。跑步者的外径= 68.1毫米,直径是中心= 30.2毫米,叶片的数量= 4,叶尖间隙是0.5毫米。此外,MEL031 [11)选择一个机翼在任何径向点,和攻角= 2°。设计流量问= 0.0078米³/ s。案例1,例2跑步者和案例3跑步者都用在这项研究中提出的设计方法和设计了轴向流速均匀化后执行一次,两次,三次,分别。

样例导叶的概述图所示5,尺寸如表所示2。导叶设计使用传统的一维设计方法所示部分2.1。外直径是= 69.1毫米,直径是中心= 30.2毫米,叶片的数量= 5。此外,MEL031 [14)选择一个机翼在任何径向点,和攻角= 8°。

4所示。数值分析方法和条件

计算模型如图6。如图3,弯管的导叶安装在上面的流程对于一个真正的水轮机。然而,为了简化分析模型和删除弯管的影响,我们使用一个计算模型只包括直接管当我们应用设计方法。我们相信定性性能的水轮机的趋势并没有改变取决于弯管的存在。我们使用了通用的热流体分析软件ANSYS CFX15.0数值分析和三维稳定流动进行分析。控制方程是质量守恒方程(16和动量守恒方程16]。对海温(剪应力运输)模型(16)采用的湍流模型。水是用于工作流体。对于边界条件,质量流率7.793千克/秒(问= 0.0078米³/ s)是应用于入口边界,静态压力(表压)0 Pa是应用于出口边界,和任意转速是应用于选手的地区。中性条件适用于所有的城墙。此外,旋转和静态系统之间的界限了使用冻结转子[17]。例如,计算网格的跑步者和导叶图所示7(一)和7 (b)。每个运动员的计算网格是一个四面体,和面对叶片表面的尺寸是0.4毫米。有五棱镜层叶片表面,和第一层的大小是0.03毫米。的数量计算元素原始跑步,跑案例1,2跑步,跑和例3,大约2070000,2130000,2600000,和2810000个元素,分别。导叶的计算网格是一个四面体,和面对叶片表面的尺寸是0.6毫米。有五棱镜层叶片表面,和第一层的大小是0.03毫米。导叶的计算元素的数量大约是1280000。计算元素的总数为原始的跑步,跑案例1,2跑步,跑和例3,大约5060000,5110000,5580000,和5800000个元素,分别。研究电网的依赖,我们执行一个分析后增加计算元素最初的跑步者和导叶约3170000和1990000年,分别;然后,我们执行一个分析后增加计算元素大约4250000年和2550000年,分别。 Consequently, it was confirmed that the effect of the number of computational elements in the grids was relatively low even though the effective head and turbine output changed by approximately +3.0% and −0.9%, respectively, in the former analysis and by approximately +2.6% and −1.2%, respectively, in the latter analysis. Moreover, we performed an unsteady flow analysis for the original runner using the transient rotor-stator [17]。结果,确认稳定和非定常流分析之间的差异相对较小,即使有效的头和涡轮机的输出变化约为+ 2.5%和+ 3.3%,分别与给出的结果。

5。分析结果和讨论

5.1。涡轮性能的比较

每个运动员的涡轮性能数值分析得到的数据描述了8(一个)- - - - - -8 (c)。数据,涡轮输出的设计值(75.5 W)也说明。原来的选手,涡轮效率的最大值,0.662在设计转速和几乎等于设计值(0.659)。然而,涡轮的输出和有效的是明显大于设计值。相比之下,病例1 - 3跑步者使用我们的设计方法,设计涡轮输出,l,减少在所有转速区域超过原来的跑步者。然而,与此同时,有效,H,减少。因此,涡轮效率,例1 - 3跑步者,除了在相比,显著提高原来的跑步者。指出,在特别情况下2跑步者达到一个涡轮的效率= 0.752,超过设计值。然而,案例3跑步者的价值略低于2跑步者的情况。这似乎是由于液压假定在轴向流速均匀化的设计与实际值不同。

5.2。比较内部流

轴组件和圆周组件绝对速度的跑步者在每个径向入口点每个运动员的数据中所示9(一个)和9 (b)。在这里,和是圆周轴向分量和周向分量的平均值,分别在1毫米上部叶片的流。转速是。的值= 0代表中心,= 1代表了小费。的值每个跑步者显著降低中心一侧。这一现象可以解释为雷诺数减少中心,中心表面边界层发展流动通过导叶时,和其他相关的影响。因此,略大于设计值的中点来,但它是接近设计值。在特别情况下1 - 3跑步者,与原来的跑步者,减少不均匀性和有相似的分布的设计值。的值与设计值虽然是在相对好的协议,对于每一个运动员,价值减少中心一侧。特别是,在这种情况下1 - 3跑步者,减少的中心附近的小相比原来的跑步者,因此分布接近的设计。基于前面的讨论文本,导叶的设计在一定程度上是合适的。

轴组件和圆周组件绝对速度的跑步者在每个径向出口点每个运动员的数据中所示10 ()和10 (b)。在这里,和是圆周轴向分量和周向分量的平均值,分别在1毫米降低叶片的流。转速是。的值= 0代表中心,= 1代表了小费。在最初的跑步者的情况下,小中心的一面,成为更大的提示。此外,有负面价值除了价值在技巧方面,从而表明负旋转,也就是说,在相反的方向流入的方向跑。这个的原因可能是这个运动员的雷诺数较低,而变得更低位置靠近中心的轴向流速或流道入口没有制服之前或表面的边界层的发展中心,以及其他原因。这种消极的旋转流似乎增加了有效的头和涡轮机的输出。相比之下,例1 - 3跑步者与我们的设计方法设计的价值,原来的运动员相比,制服,接近设计值;他们也有一个值这也是接近设计值。案例2跑步者尤为引人关注。如数据所示(11日)和11 (b),如果绝对速度矢量之间的比较原始的跑步者和案例2跑步,创建反向流流道出口的原始跑步者跑但案例2中消除。因此,很明显,第二种情况的涡轮效率显著提高运动员相比原来的跑步者。

6。通过实验验证

6.1。实验仪器和方法

验证的高性能水力涡轮节中描述5一个实际的设备是用于验证测试。实验装置如图的概述12。跑步者的实际设备数据所示(13日)和13 (b)和实际设备的导叶图所示14。水是用于工作流体,用恒流率进行了实验= 0.0078米³/ s。流量测量使用电磁流量计(东芝公司;GF630,精度±0.5%的利率)。水轮机的负载使用电动机和变频器控制,转速任意设置。旋转的速度和转矩用磁电式旋转探测器测量(小野Sokki有限公司。mp - 981,精度±满刻度的0.02%)和一个扭矩检测器(小野Sokki有限公司。ss - 005,分别精度±满刻度的0.2%)。从这些价值观,涡轮的输出获得了。

注意,获得的扭矩是纠正不跑步者通过测量扭矩。的静态压力在进口和出口处标与应变仪测量水轮机压力传感器(Kyowa电子仪器有限公司。pgmc - a - 200 kp - f,非线性±1.5%额定输出)。有效的头,H,计算使用的区别静态压力和动态压力之差获得的流量。

在这里,和是涡轮进口和出口的静压。此外,和是涡轮进口和出口的平均流速。

此外,涡轮效率得到以下公式:

最初的跑步者的测量误差的总误差,涡轮的输出l有效的主管H,涡轮效率(±0.12 m),约±4.7%±2.7% (±3.6 W),分别和±5.4% (±0.038)。

测量水轮机内部流动使用PIV系统,固态激光器(PIV激光G6000,输出6 W,波长532 nm)和连续振动作为光源。激光片光的发光的中心和垂直部分从垂直位置低于跑步运动员。在这个操作过程中,激光片光被镜子反映90°。激光片的厚度是1毫米。尼龙12直径约55μm和1.02的比重作为示踪粒子。高速相机(视觉研究公司,幻影米罗M110中心也能看到)被用来拍摄照片按时间顺序在一个摄影10000帧/秒的速度。分辨率为448×360像素。基于这些图片,参考的两个二维组件水轮机内部流动,PIV分析是由直接互相关法使用PIV分析软件从流专家(Katokoken有限公司。版本1.2.9)。

6.2。数值分析方法和条件

随着这个实验,实际涡轮使用数值分析进行了分析。实际涡轮机的计算模型如图15。使用ANSYS CFX15.0用于分析代码部分4并进行了三维稳定流动分析。控制方程、湍流模型、工作流体,边界条件等等的相同部分4。每个运动员的计算网格是一个四面体,和面对叶片表面的尺寸是0.4毫米。有十个棱柱层的叶片表面,和第一层的大小是0.007毫米。计算元素的数字为原来的跑步者和例2跑步者是大约2530000个和3150000个元素,分别。计算网格使用的导叶一样的部分4。计算元素的总数为原来的跑步者和例2跑步者是大约5810000个和6430000个元素,分别。

6.3。结果与讨论

最初的跑步者的表现的比较和案例2跑步者对实验值和计算值数据所示(16日)- - - - - -16 (c)。涡轮输出,,有效的头,跑,从最初的实验值和案例2跑步者都是略大于计算值。对涡轮效率,实验和计算值显示,定性协议虽然有细微差别,高转速区域。很明显,第二种情况的涡轮效率显著提高运动员相比原来的跑步者,这种情况下2运动员达到的实验值涡轮效率,比目标价值。

最初的跑步者和2跑步者,绝对速度矢量的PIV测量结果在中央和垂直部分的跑步者说明数据(17日)和17 (b),相应的计算结果数据(18日)和18 (b)。在这里,旋转速度。此外,PIV测量结果得到使用时间上处理的基础上,12196张图片拍摄(大约50个旋转的跑步者)。流出口的原始的跑步者在PIV测量结果和计算结果提示一边快速和慢在中心端,这表明不均匀性。此外,大规模回流生成中心一侧。相比之下,第二种情况跑步者没有反向流出口,因此相对统一。我们现在的设计方法验证。

如上所述,使用这种设计方法,一个轴流跑步效率相对较高的设计可以很容易地通过改变流道的形式只有两三次后产生一个跑步者在零状态。在那个时候,我们决定的独特形式跑步速度分布的定量数据用流道进口和出口(数据9(一个)和10 ())。因此,这是一个简单的方法与一个较小的计算负载相比,使用实验设计的优化设计方法和优化算法。此外,我们的方法可以产生可靠的结果相比,该方法在设计师经验重复形状的变化通过检查分析结果从三维内部流动。

7所示。结论

我们提出一个简单的设计方法对轴流式跑步者使用传统的一维设计方法和轴向流速均匀化的设计方法,用三维流分析的支持。我们应用设计方法的跑步者轴流式水轮机超小。性能和水力流道内部流使用数值分析和实验研究。结论如下:(1)原来的运动员使用传统的一维设计方法,设计了涡轮效率几乎等于设计值在设计转速,但涡轮输出和有效也明显大于设计值。(2)例1 - 3跑步者与我们的设计方法设计显著提高涡轮效率相比原来的跑步者。具体地说,在这个实验中,例2运动员达到涡轮效率为0.768,超过目标值。(3)案例2的涡轮效率的原因跑步者展示了一个与原来的相比显著提高跑步者是绝对速度的轴向分量在运动员出口相对统一,因此,负旋转流得到了改进。因此,我们已经验证了设计方法的有效性。

命名法

:	升力系数
:	选手米直径
:	重力加速度m / s2
:	有效的负责人米
:	弦长米
:	涡轮输出W
:	旋转速度最小值−1
:	比速敏−1千瓦,米
:	静态压强Pa
:	流量米3/秒
:	选手米半径
:	距m
:	转矩N·m
:	圆周速度米/秒
:	绝对速度米/秒
:	相对速度米/秒
:	叶片的数量。

希腊字母

:	攻角°
:	涡轮效率
:	桨叶角°
:	无量纲径向点
:	中心比
:	阻升比率
:	流体密度公斤/米3。

下标/标

1:	跑进
2:	运动员出口
3:	导叶入口
4:	导叶出口
:	轴组件
:	设计值
:	导叶
:	中心
:	涡轮入口
:	数值分析的价值
:	涡轮出口
:	提示
:	圆周组件
′:	后,轴向流速均匀化
:	流道进口和出口之间的平均值。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者承认研究的一部分已经被JST补贴一步高风险的挑战类型(振兴促销类型)和表达他们的感激之情。

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版权

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