立式超低水头水轮机进口面流速比较的非旋转模型与进口造型研究

工程科学与技术，国际期刊40（2023）101367完整文章立式超低水头水轮机进口面流速比较的非旋转模型Raj KumarChaulagain，Laxman Poudel，Sanjeev Maharjan机械和航空航天工程系，Pulchowk校区，IOE，TU，Lalitpur，尼泊尔阿提奇莱因福奥文章历史记录：收到2022年2023年1月1日修订2023年2月16日接受2023年3月2日在线发布关键词：孔板开度选择明渠水流超低水头非旋转模型速度A B S T R A C T本文介绍了新开发的立式超低水头水轮机在无床面落差的槽道流段上，水轮机系统前需要有进口引道剖面。发现概念化阶段可用的固定壁在一定程度上可作为屏障，扰乱流向涡轮机的气流，需要通过添加合适的轮廓进行整流。选择了四种简单几何形状的入口接近剖面，即垂直、倾斜、弯曲和倾斜与弯曲剖面的组合，用于与具有150、180和22.50孔口开口的涡轮机的二维非旋转模型交替进行试验。试验是在为立式超低水头水轮机开发的长度为10 m的试验装置水池上进行的，输入变量为流量、进口剖面和非旋转模型。本文对不同组合下的垂直剖面进行了试验分析，并考虑了流面流速和上游高度。对不同流量下的上游高度和表面流速、非旋转模型的上游高度和表面流速、最大表面流速、上游高度和孔口开度进行了比较，并从中选出最合适的模型。最后得出结论：为了使涡轮进口损失最小化，必须采用具有适当几何形状的进口接近叶型，并指出今后的优化工作©2023 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍从0 m和3 m之间的极低水头（称为ULH超低水头）利用分类静态能量转换发电在技术上是可行的[1，2]。为了解决日益增长的环境问题和降低项目成本的愿望，已经开发了当前水电技术的先进进展和用于超低水头的新涡轮机[3]。这种转换的水资源可以来自任何类型的单一用途或多用途计划开发的水相关结构[4]。它们上使用的涡轮机是非传统类型的，可以安装在开放的水槽或封闭的管道箱。使用这种水力发电降低了与安装电站所需的土木工程相关的成本和环境影响，并且几乎可以在非常短的安装周期内发电。*通讯作者。电子邮件地址：rajkrc12@tcioe.edu.np（R. Kumar Chaulagain）。超低水头水轮机是适当的系统，可利用低水头水力能源作为水力发电潜力，水头变化在3 m以下，如运河和灌溉系统中的楼梯和水头落差、河流中的堰或坡道、不同的水屏障和旧工厂场地[5]或重新利用来自现有水电站的尾水渠[6]。利用现有的超低水头（VLH）水力设施和配水管网是减少环境影响的一种日益增长的替代方案，特别是当这些设施目前已用于其他目的时【7这种技术也是适当的，其简单的工程设计，可以在地方一级开发，降低电力生产成本。在目前的情况下，这种超低水头发电技术随着非传统水轮机的进步而发展[11]。其中，本研究提出的一个概念是应用于明渠过流段无水头落差结构的立式超低水头水轮机水下转轮有一个固定的平叶片旋转与水垂直向下流动和权力是从顶端的轴以上的水位分接https://doi.org/10.1016/j.jestch.2023.1013672215-0986/©2023 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestchR.库马尔·乔拉冈湖Poudel和S. Maharjan工程科学与技术，国际期刊40（2023）1013672××通过齿轮箱连接到发电机，如图所示。1.一、对于概念化的系统，低水头水平和高流速是发电所需的在低速下旋转的转轮的较大直径与溢流装置和涡轮机本身相结合的上游半圆形端部的使用用作坝，与适合于城市或农村地区的小规模电力生产的传统水力发电相比，该坝减少了所需的土木工程，从而使所需的入口水的速度低，并且在出口处更低这种情况表明，使用导流管回收不需要回收动能 该概念采用了与传统水轮机设计完全不同的方法，并且在某种程度上类似于极低水头（VLH）水轮机，该水轮机位于倾斜轴上，带有水下集成发电机和轴流转桨式转轮【2、10、12】，如图所示。 二、VLH虽然没有精确定义，但通常用于表示低于5 m的水头，偶尔低于2.5 m[3]。当将所提出的技术安装在没有水头下降的运河段上时，沿流动方向垂直放置的屏障会产生底部的突然上升和不连续性，从而导致进入涡轮机的水流中断根据W.H. Hager和R.Sinniger，1985年，突然升高的水流可能被认为是最严重的局部现象，远上游和下游区域具有间接影响[14]。为了使水流平稳且较少地扰动涡轮机的入口，覆盖垂直台阶，需要一个额外的组件，称为入口接近轮廓。这种对水的影响是总可能能量的损失，需要通过引入合适的入口接近轮廓来最小化，该入口接近轮廓可以将水流平稳地引导到涡轮机入口，这是本研究论文的目标。开发了一个试验台，用于测试可能具有可变流量的概念化系统，并在其上放置入口接近剖面和涡轮系统。为了在实际转轮之前通过实验预测系统上游的流型和水位高度，开发了三种不同的非旋转模型，以代替实际转轮。对不同流量组合、进口接近剖面和非旋转模型的实验结果进行了比较，以供将来使用。本研究的局限性在于实验所用的进口气流接近剖面和非旋转模型的选择以及所用的流速测量方法。选择简单的阶梯几何形状，采用浮子法测量水流速度法浮子法是最常见的方法，它给出的是表面速度，而不是平均流速[15]。虽然平均速度总是小于表面速度，但不同的研究表明它们之间关于流动情况的不同关系[16]。因此，这里的比较与表面速度发现的浮子法。该装置有一个宽度为0.8米的矩形管道，整个直线测量长度为3米。本研究试图探讨垂直ULH系统的一般概况在实验的限制下，解释了进行测试所遵循的方法。此外，绘制了结果图，并讨论了不同的测试条件。最后，提出了研究结论和今后需要进一步改进的工作2. 实验方法研究目标是确定的问题，选择一种实验方法与非旋转模型配对的方法涵盖了几个文献综述，以制定从选择到测试的方法，并按如下方式进行。2.1. 实验装置总体试验设计在尼泊尔工程学院能源研究中心微型水电实验室现有的立式超低水头水轮机该系统为金属结构，长度为10 m，上游直渠段为3 m，通过12台潜水泵的PVC管道使水流成为可能，每台潜水泵的平均容量为8.4 LPS，可单独控制11台正常运行泵和一台备用泵。水从一个大型开放式地下水库泵送到试验装置水箱的一端，出口通过系统另一端的矩形槽口再次进入水库，并进行再循环。泵送到水箱收集端的水通过几层细金属丝网均匀地用于实验的试验台的3D模型如图所示。3 .第三章。进气道接近剖面和非旋转模型在试验台可用的宽度尺寸范围内开发，可在系统的建议位置轻松组装和拆卸。Fig. 1. 立式超低水头水轮机概念示意图。R.库马尔·乔拉冈湖Poudel和S. Maharjan工程科学与技术，国际期刊40（2023）1013673图二. VLH涡轮机示意图[13]。图三. 垂直超低水头实验装置的三维模型。2.2. 进口气流接近剖面在选择本研究的进口气流接近剖面之前，我们查阅了一些文献，发 现 有 不 同 类 型 的 进口 气 流 接 近 剖 面 ， 其 目 的 也 各 不 相 同 B.Tackaberry等人2011年[17]和John N Fernando David E Rival于2014年[18]进行的实验研究中，采用了如图4所示的面向后的台阶轮廓，用于非常低水头涡轮机的非旋转涡轮机模型。在这两种情况下，阶梯式河床剖面被用作现有河道中存在的典型障碍物的概念。目的是研究涡轮机下游位置如何影响涡轮机入口处的经确定，损失可被视为高度不均匀的入口速度剖面，这导致涡轮叶片上的非定常载荷。h =台阶高度，x =台阶与流道之间的距离，d=流道见图4。 用于VLH的后向台阶轮廓示意图[17]。h =台阶高度，x =台阶与滑道之间的距离，d =滑道直径。另一项由Vampire Patel等人（2018）[19]所涵盖的实验研究解释了通道几何参数的影响R.库马尔·乔拉冈湖Poudel和S. Maharjan工程科学与技术，国际期刊40（2023）1013674对Savonius型水力涡轮机性能的影响，见图5。涡轮机放置在升高的通道底部（驼峰）上，通过减少流动深度来提高流速。实验结果表明，由于转子区附近的流速增加，与不设置驼峰(1) 通道（2）驼峰（3）涡轮转子（4）负载盘（5）弹簧平衡。在垂直超低水头水轮机的情况下，没有水头下降结构的渠道上的水流与前向障碍物碰撞，该障碍物干扰流速和模式，导致估计功率损失。因此，为了最大限度地减少碰撞造成的损失，本研究的目的是研究插入连接水轮机平台和运河河床的某些组件的效果，该新部件被称为水流入口接近剖面，并且需要选择简单的几何形状，即运河上的低水流速度。从这些中，选择简单的平面几何薄片作为实验的接近剖面，如图1所示，它们是垂直的、倾斜的、弯曲的和组合的。 六、垂直型面来自垂直超低水头水轮机的主要概念，并且始终是固定的，但其他三个型面可以在实验期间根据需要轻松更换，并放置在垂直型面之前为这些配置文件所做的选择的规格见表1。2.3. 非旋转模型在不旋转的实验期间使用涡轮机的2D结构而不是3D结构的模型的概念它有孔，而不是转轮叶片，在相同的数量对应于内部和外部尺寸的转轮。该实验由B. Tackaberry等人（2011年）[17]使用了图7所示的超低水头水轮机的非旋转水轮机模型，以研究后向台阶轮廓下游的水轮机位置如何影响水轮机入口处的水力条件。Marcel K. Wright等人，2013 [20]也使用了与图中相同的非旋转模型。7.第一次会议。通过与旋转模型试验数据的比较，发现NRM方法简单，计算速度快，可用于一阶模型的初步试验优化。在垂直超低水头水轮机的情况下，与建议的水轮机的非旋转模型成对测试了接近剖面上的流动该模型的目标是(1)通道（2）驼峰（3）涡轮转子（4）负载盘（5）弹簧平衡图五.带驼峰的Savonius型水力涡轮机的实验装置[19]。在原型之前，研究与入口气流接近剖面配对时不同气流条件下的上游高度在设计水头和流量条件下，考虑了三种不同的非旋转涡轮模型。该模型由8个孔制成，其内径和外径与6 mm MS板上的建议流道相同不同之处在于，如图所示，流道尺寸的内外半径之间相交的圆形平面中心的开口所形成的孔口面积。8.第八条。非旋转模型被命名为模型22、18和15，其简单地指圆盘上的孔角度的切割，以在每种情况下具有单独的孔口开口这些角度被假定为从等于孔的一半到空白区域，即在所有情况下可以在制造的模型上看到的孔的数量相同（见图1）。 9）。所用三种型号的规格（由相同材料、厚度和切割孔数量制成）见表2。这里，坯料角度是切割孔的两个边缘之间的角度2.4. 制造根据选择决定，使用AutoCAD 2017编制制造图纸。根据提供的车间图纸，在当地制造车间进行了进场剖面和非旋转模型的制造。在试验期间，为了便于搬运，制作了三个带有结构支撑的进场剖面。2.5. 安装在测试过程中，固定其中一个模型，测试所有的接近剖面，并进一步重复下一个剩余的模型。这使得组装和拆卸工作在每个测试装置上重复进行。因此，考虑到这些操作的方便性，在上游渠床上完成了型材侧的固定，仅将水轮机平台与支撑撑连接起来而模型则从模型的下游侧用螺母和螺栓固定 安装在试验台上的组合如图所示。 10个。安装后，它准备在所需条件下进行测试。3. 实验的进行3.1. 制备供试在进行试验之前，如表3所示，进行流速、水速度和上游水柱高度测量的准备工作。对可用的矩形切口进行校准，以了解流量系数。这是通过测量实际排放量与容积罐和理论排放量通过矩形缺口。最后，实际流速与理论流速的比值导致最小流速条件下的排放系数为0.575至0.615。流量计算采用相同的流量系数值。开发观察表以收集实验期间的数据，进一步手动传输以生成软拷贝数据库用于分析。除此之外，还放置了螺旋桨、螺丝刀和其他必要的手动工具，以便在需要时更换入路剖面和非旋转模型。试验台上的矩形切口用于测量流量。矩形缺口R.库马尔·乔拉冈湖Poudel和S. Maharjan工程科学与技术，国际期刊40（2023）1013675×¼见图6。 用于实验的不同入口接近剖面。表1入口剖面的规格。S.类型的N.轮廓规格料的1垂直固定平面，0.75 m ×0.75 m 2.5 mm轻度2倾斜45°，水平，1 m0.75 m3曲线900覆盖，半径0.75 m4结合340倾角结合半径的0.75m钢见图9。 一个带有橡胶垫圈的非旋转模型。b =矩形缺口的宽度（单位：米）g =重力加速度（单位：m2/s）h =矩形缺口上方水柱的高度（单位：米）见图7。带压力抽头的VLH涡轮机的非旋转涡轮机模型【17】。当水流过矩形切口时，变量是放置在方程上的水柱高度。（1）用于计算流量，给出每个特定条件下的流量。同样，流速由下式给出。Vd不哪里ð2ÞV =速度（m/s）d =网球运动的距离，单位为米（3米是固定的）t =球跑完全程所用的平均时间由此，获得了特定流量和所用入口剖面条件下的平均表面速度见图8。 立式超低水头水轮机的非旋转模型。[21]和上游水流速度，使用时间和距离进行计算，收集如下。通过矩形凹口[20]的流速由下式给出Q<$ωCd ωb ω2g1= 2 ωh3=2 1哪里Q =排水量，单位：m3/s Cd =排水3.2. 测试程序试验准备后，试验遵循的程序总结见图11中的流程图。该程序从一个选定的模型开始，该模型固定用于不同的入口剖面，以在不同的流动条件下进行测试单个模型的这72个数据集记录在观察表上。通过控制面板上的单独控制开关控制流量变化，以操作泵。在每种情况下，所选的分布，2，3，5，7，9和11泵运行。这里的最大流量条件是可用流量，R.库马尔·乔拉冈湖Poudel和S. Maharjan工程科学与技术，国际期刊40（2023）1013676表2非旋转模型的规格。S.N.模型标识孔内径（mm）孔外径（mm）数量的孔孔角（度）毛坯角度（度）孔坯比1模型15240460815.030.0一比二2模型18240460818.027.0二比三3模型22240460822.522.5一比一见图10。 曲线剖面和非旋转模型安装在试验台上。表3实验中使用的可测量参数和工具S.N.参数方法/装置测量变量使用的工具决议精度12放电水矩形槽口网球旅行时间缺口上方水柱高度时间固定在罐壁上秒表0.5 mm刻度0.01 s±0.3%±0.15%3速度头球测压上游不同高度的水柱固定在罐1 mm刻度±0.15%部分壁见图11。 进场剖面与模型结合试验程序流程图。非旋转模型的设计流量为92 LPS，由运行11台泵网球移动的距离为3 m，标记在罐的两个点上，并从试验台罐的顶部手动当测试一个配置文件时对于被下一个剩余的替换的所有流动条件。在对一个模型进行完整测试后，对剩余的两个模型进行相同的过程，并替换前一个模型R.库马尔·乔拉冈湖Poudel和S. Maharjan工程科学与技术，国际期刊40（2023）10136774. 结果和讨论根据观察结果，在MS-Excel 2016上进行简单计算后，可以用不同的绘图来比较所有病例。所有情况下得到的结果，并彻底讨论如下。4.1. 上游高度随流速的变化当管道上的流速增加时，发现涡轮机入口处的高度增加，但尽管非旋转模型放置相同，但对于测试的每个接近剖面，该不同模型的水头随流速的变化如图所示。 12个。从图上可以看出，同一模型不同进口型线的上游高度比较无显著性差异，但不同模型间的上游高度差异较大。孔口尺寸越大，上游高度越低等。对于最大流量条件，模型22（最大孔板）暴露于最低高度，模型15（最小孔板）暴露于最高上游压头，用于任一接近剖面组合。对于所有模型，垂直剖面显示最小值，曲线剖面显示最大上游水头。模型15、18和22的垂直剖面曲线的上游水头差分别高出8.7%、3.5%和11%。当使用曲线轮廓时，这种冲角导致流动扰动最小。4.2. 速度随流速的变化当管道上的流速增加时，也发现管道测试长度上的速度增加，但是对于每个测试的接近剖面，尽管非旋转模型放置相同，但是速度是不同不同模型的流速变化如图所示。 13岁从图中可以看出，同一模型的不同进口型线之间的上游流速比较没有显著差异，但模型之间有一定差异。具有较大孔径的模型显示出较低的上游流速等。对于最大流量条件，在任一接近剖面的组合下，观察到模型18的最低速度和模型15的最高速度。对于所有模型，垂直剖面显示最小值，曲线剖面显示最大上游水头。在曲线剖面上，15型的速度比15型高43.5%，垂直入口剖面同样，在模型18和22上，发现弯曲入口剖面的速度分别比垂直剖面高26%和12.6%4.3. 流速随上游高度当管道上的流速增加时，发现管道测试长度上的速度随着水头的增加而增加，但是尽管非旋转模型放置相同，但是对于每个测试的接近剖面，速度是不同的。不同模型的流速随上游水头的变化如图所示。 十四岁从图中可以看出，同一模型的不同进口型线之间的上游流速比较没有显著差异，但模型之间有一定差异。具有较大孔口尺寸的模型显示出较低的上游流速和较低的上游高度。对于最大流量条件，对于模型-15，水头增加8.7%导致速度增加43.5%。同样，对于模型18，压头增加3.5%导致速度增加26%，对于模型22，压头增加11%导致速度增加12.6%。垂直剖面的水头和流速最小，而曲线剖面的水头和流速最大4.4. 最大流速随模型对于15至22型，非旋转型上的孔口开度在设计流量条件下，对不同进口接近剖面下的最大速度下的不同孔口开度进行了比较在这种情况下得到的结果如图所示。 十五岁从所作的比较中可以看出，对于所有的进气道进近剖面，所得到的绘制曲线的性质是相似的其中，150开孔的非旋转模型显示了弯曲入口剖面的最大速度。对于垂直剖面上的150、180和22.504.5. 上游高度随模型孔口开度的变化对于15至22型，非旋转型上的孔口开度在设计流量条件下，对不同进口接近剖面的不同孔口开度和上游高度进行了比较。在这种情况下得到的结果如图所示。 十六岁从所作的比较中可以看出，对于所有的进气道进近剖面，所得到的绘制曲线的性质是相似的其中，见图12。 NR-型号22、18、15的上游高度随流速的变化。R.库马尔·乔拉冈湖Poudel和S. Maharjan工程科学与技术，国际期刊40（2023）1013678图十三. NR-模型22、18、15的速度随流速的变化。图14. NR型22、18、15的流速随上游高度的变化。图15. 最大流速随设计流量下井眼尺寸的变化。具有15°开口的非旋转模型显示了对于弯曲的入口轮廓，恰好在涡轮机入口前面的水的最大上游高度。对于垂直剖面上的150、180和22.50开孔，由于不同的接近剖面而引起的高度变化分别根据流体流动的连续性方程，可以清楚地看出，在相同流量条件下，模型开孔尺寸不同，上游高度随开孔尺寸的增大而减小。R.库马尔·乔拉冈湖Poudel和S. Maharjan工程科学与技术，国际期刊40（2023）10136790图16. 上游水头随设计流量的孔尺寸切割的变化。5. 结论垂直超低水头水轮机系统的安装是为了在没有水头落差的情况下利用渠道结构上的水流发电。研究开始时，需要一个进口接近剖面，用于开发垂直超低水头水轮机的概念，该概念与转轮的非旋转模型配对进行实验通过对不同类型的引道剖面文献的回顾，也提到引道剖面的几何形状对水轮机系统入口处的流速有显著影响。根据这些，实验的主要关注点是在测试中使用非旋转模型来选择最佳接近轮廓。通过改变四个进口剖面，分别与三个非旋转模型配对，四个型材是垂直的、倾斜的、弯曲的以及具有相等宽度的倾斜和弯曲的组合，其一次只能放置一个。类似地，2D非旋转模型具有相同的尺寸，具有不同的孔口开度角15°、18°和22.5°。对于每个模型，四种不同的入口接近剖面组合用于实验。模型和剖面布置后，输入变量仅为流速，这表明入口速度和上游高度存在多种变化不同的水组合。对不同流量下的上游高度和流速、上游高度与流速、最大流速以及非旋转模型的上游开孔情况进行了比较。以下是从所进行的实验中得出的结论。对于所有模型，垂直入口剖面显示上游水头和流速均最小，而弯曲剖面显示最大。最大上游高度的差异被认为是11%，表面流速是43.5%，高于曲线剖面的垂直剖面。采用150孔开度的非旋转模型，观测了最大上游高度和表面流速。曲线进口和15孔开度组合的模型表面速度和上游高度最高从试验分析中可以进一步得出结论，作为参考的垂直进口接近剖面具有最小速度和上游高度，表明一些损失或扰动继续到涡轮的进口对于每种流动条件，组合得到不同的结果，澄清入口剖面对于建议位置是必要的。在没有额外的入口轮廓的情况下，最终减少了涡轮机入口的可用水能量，并且需要在其之前插入额外合适的几何轮廓。弯曲轮廓产生的最高速度和上游高度表明，在测试的四个轮廓中，它可以更有效地执行对于未来的工作，新的优化的轮廓，该系统可以通过几个几何形状的流动模拟CRediT作者贡献声明Raj Kumar Chaulagain：概念化，资金获取，写作-原始草案。Laxman Poudel：方法论，写作Sanjeev Maharjan：监督，形式分析。竞争利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作。确认作者感谢尼泊尔巴克塔普尔Sanothimi大学拨款委员会提供的财政资助（资助编号：Ph.D.- 75/76-Engg-01）进行这项研究，尼泊尔特里布万大学工程学院能源研究中心为新实验室的建立提供空间和实验设施。来自尼泊尔特里布万大学工程学院Thapathali校区汽车和机械工程系的学生在实验期间的实验室工作此外，作者还要感谢审稿人提出的宝贵建议。●●●●R.库马尔·乔拉冈湖Poudel和S. Maharjan工程科学与技术，国际期刊40（2023）10136710·引用[1] K. Shimokawa，A.古川K. Okuma，D. Matsushita，S.渡边，特低水头水轮机进口喷嘴简化试验研究，更新。Energy41（2012）376https://doi.org/10.1016/j.renene.2011.09.017[2] R. 弗 雷 泽 角 德 谢 讷 角 O'Neil ， and M. Leclerc ， 1-9 ， 【 在 线 】 。 网 址 ：www.hcipub.com。[3] S. Bozhinova，V. Hecht，D.基斯利亚科夫湾Müller，S. Schneider，水头差小于2.5m的水电转换器，Proc.Inst.Civ. Eng. Energy 166（3）（2013）107-119.[4] G. S. Bruno，A. Choulot和V.Denis，“小型水电站现有基础设施的能源回收。多用途方案-概述和示例。FP6，B.P.，”Montcherand，Switzerland，2010. [联机]。可通过以下网址获得：http://www.esha.be/。[5] A.C. Vincent Denis ， P. Punys ， 小 型 水 轮 机 与 现 有 水 电 站 结 构 的 集 成， 水 电https://doi.org/[6] R. K. 乔拉冈角Bahadur，P.Yadav和J. 雷，“灯泡式水轮机的设计和现场测试，利用超低水头设计和灯泡式水轮机的现场测试，利用超低水头能量”，在第9届IOE研究生会议论文集，2021年，第9号，第10页。1-8，[7] 朗格Oladosu，O.A. Koya，基于升力的管道涡轮机的数值分析，用于预测选定配水网络中的水力发电利用潜力，用于水线优化，Eng. Sci. Technol. an Int. J. 21（4）（2018）672https://doi.org/10.1016/j.jestch.2018.05.016[8] P. Punys，A. 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