混流式水輪機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的研究

張慧珍

【摘 要】為了確保混流式水輪機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)良好。對(duì)混流式水輪機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究。從相似理論法、CFD分析法、優(yōu)化設(shè)計(jì)法這3個(gè)方面進(jìn)行了論述，提出了相似理論法設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)和不足之處、CFD分析法的必要性以及優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法和依據(jù)。為后續(xù)混流式水輪機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提供了參考依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】混流式水輪機(jī)；優(yōu)化設(shè)計(jì)方法；相似理論；CFD分析法

中圖分類(lèi)號(hào)： TK733.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2017）20-0019-002

Study on Optimization Design Method of Francis Turbine

ZHANG Hui-zhen

（Sichuan water conservancy vocational and technical college， SiChuan ChengDu 611231）

【Abstract】In order to ensure the performance of Francis turbine is good. The optimal design method of Francis turbine is studied. This paper discusses the three aspects of similarity theory， CFD analysis and optimization design， and puts forward the advantages and disadvantages of similar theoretical design， the necessity of CFD analysis and the method and basis of optimization design. Which provides a reference for the optimal design of the mixed flow turbine.

【Key words】Francis turbine； Optimal design method； Similarity theory； CFD analysis method

混流式水輪機(jī)的合理設(shè)計(jì)，是確保機(jī)組運(yùn)行時(shí)在效率、抗氣蝕性以及穩(wěn)定性這3個(gè)方面具有良好的性能指標(biāo)。由此可見(jiàn)，混流式水輪機(jī)的設(shè)計(jì)方法直接關(guān)系到機(jī)組的性能。因此，對(duì)設(shè)計(jì)方法的研究，具有良好的工程價(jià)值。

一直以來(lái)，人們對(duì)于水輪機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法做了大量研究。例如，文獻(xiàn)[1]采用了對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片割邊的方法，提升了機(jī)組的效率；文獻(xiàn)[2]對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片修型，使轉(zhuǎn)輪流場(chǎng)的負(fù)壓區(qū)域減小，提高了機(jī)組的抗汽蝕性；文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了橢圓蝸殼，增大了轉(zhuǎn)輪的直徑，實(shí)現(xiàn)了水輪機(jī)增容改造的目標(biāo)。基于上述研究可知，對(duì)于混流式水輪機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，多數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)針對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)行的，由此可見(jiàn)，水輪機(jī)的運(yùn)行特性，多是因?yàn)樗σ蛩卦斐桑绊懰σ蛩氐年P(guān)鍵則是轉(zhuǎn)輪（包括類(lèi)型、直徑、材料等）。所以，本文針對(duì)水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行了探討。

1 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的弊端

混流式水輪機(jī)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，是指按照水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)的要求，從機(jī)組選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度校核、效率修正等方面進(jìn)行全面計(jì)算和設(shè)計(jì)。理論上來(lái)講，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出的水輪機(jī)質(zhì)量較高且各項(xiàng)參數(shù)的指標(biāo)性能良好。但是，該設(shè)計(jì)方法目前的普及性并不高，原因在于其在一定的弊端：（1）設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)。該設(shè)計(jì)方法由于需要論證的方面多、計(jì)算量偏大致使設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的周期非常長(zhǎng)，故經(jīng)濟(jì)效益不佳；（2）無(wú)法了解機(jī)組的內(nèi)部流態(tài)。該設(shè)計(jì)方法側(cè)重于機(jī)組的強(qiáng)度性能，而流場(chǎng)方面的計(jì)算和論證較少。實(shí)際上水流流態(tài)對(duì)于機(jī)組的影響是非常重要的，而且比較復(fù)雜，不易用公式來(lái)精確描述，所以其內(nèi)部流態(tài)的真實(shí)狀態(tài)如何，無(wú)法考證。綜上所述，對(duì)于混流式水輪機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)而言，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法并不適用。因此，需要選擇其他的設(shè)計(jì)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2 相似理論設(shè)計(jì)法

從縮短機(jī)組設(shè)計(jì)周期的方面來(lái)看，目前許多大中型水電設(shè)備制造廠家采用的是相似理論設(shè)計(jì)法。因?yàn)樗啓C(jī)屬于流體機(jī)械，內(nèi)部的流程規(guī)律滿(mǎn)足相似理論，即同型普轉(zhuǎn)輪的機(jī)組，零部件形狀、尺寸、水流流速以及效率等參數(shù)均滿(mǎn)足幾何相似和動(dòng)力相似規(guī)律。基于相似理論設(shè)計(jì)法的水輪機(jī)設(shè)計(jì)，是指在設(shè)計(jì)某水輪機(jī)時(shí)，根據(jù)機(jī)組所在的電站水頭、流量、含沙量等條件，選擇與之水紋條件類(lèi)似的電站機(jī)組作為參考機(jī)組。且參考機(jī)組必須保持良好的運(yùn)行指標(biāo)，否則便不具備參考價(jià)值。然后，選擇與參考機(jī)組相同的轉(zhuǎn)輪類(lèi)型，并確定直徑。最后按照幾何相似的準(zhǔn)則對(duì)水輪機(jī)各個(gè)零部件進(jìn)行等比縮放，完成機(jī)組的相似設(shè)計(jì)。例如，對(duì)某電站的某臺(tái)混流式水輪機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，選擇了另外一個(gè)相似水力條件的電站機(jī)組作為參考，并確定了該機(jī)組的轉(zhuǎn)輪類(lèi)型。已知參考機(jī)組的轉(zhuǎn)輪直徑為2400mm，而擬設(shè)計(jì)機(jī)組的轉(zhuǎn)輪直徑為1800mm，故在設(shè)計(jì)時(shí)，擬設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)輪和參考轉(zhuǎn)輪的形狀、結(jié)構(gòu)均完全相同，各個(gè)翼型截面的參數(shù)取值，均按照1800/2400的比例進(jìn)行等比縮放。同時(shí)，其他過(guò)流部件（如蝸殼、尾水管、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)等）也按照該原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。從上述闡述可知，采用相似理論設(shè)計(jì)法，設(shè)計(jì)周期較短、設(shè)計(jì)效率高，但是由于兩個(gè)電站的水紋條件不可能完全相同，每個(gè)電站所處的位置均有自身的特征，所以相似理論設(shè)計(jì)出的轉(zhuǎn)輪不一定完全匹配電站的水文條件，依然存在設(shè)計(jì)出的機(jī)組性能不佳的問(wèn)題。

3 CFD分析法

相似理論設(shè)計(jì)法雖然在一定程度上縮短了設(shè)計(jì)的周期，但是由于電站與電站之間的水紋條件不可能完全相同，所以采用幾何相似設(shè)計(jì)出的機(jī)組，難免會(huì)存在偏離最優(yōu)工況、水流流態(tài)不佳等問(wèn)題。傳統(tǒng)的驗(yàn)證方法，是采取模型試驗(yàn)，即按照設(shè)計(jì)出的水輪機(jī)等比制造一個(gè)小型的機(jī)組模型，然后在試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行水力性能驗(yàn)證。但是該方法的弊端在于測(cè)試成本昂貴，且如果試驗(yàn)結(jié)果不佳，需要對(duì)轉(zhuǎn)輪重新設(shè)計(jì)，還得繼續(xù)制造機(jī)組模型，進(jìn)一步增加了成本。所以，采用CFD計(jì)算機(jī)仿真成為了主要的研究手段，它是相似理論設(shè)計(jì)后的下一個(gè)環(huán)節(jié)，即采用CFD分析手段對(duì)設(shè)計(jì)出的水輪機(jī)組進(jìn)行內(nèi)部流場(chǎng)仿真，提前預(yù)判機(jī)組的水力性能，并為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。該方法極大地節(jié)約了成本，可以將各設(shè)計(jì)方案在計(jì)算機(jī)中完成模型的構(gòu)建便能夠操作。通常情況下，CFD分析的步驟包括邊界條件的設(shè)置、網(wǎng)格的劃分、湍流模型的選擇等。從目前的計(jì)算機(jī)技術(shù)而言，CFD分析具有較高的計(jì)算精度，且應(yīng)用比較廣泛，是一種行之有效的研究手段。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

通常情況下，對(duì)于相似理論設(shè)計(jì)出的水輪機(jī)，其CFD分析結(jié)果往往不是最佳流態(tài)，所以需要對(duì)水輪機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。主要的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法有：（1）更換轉(zhuǎn)輪。將原方案轉(zhuǎn)輪進(jìn)行更換，選擇更加適合該電站水紋條件的轉(zhuǎn)輪類(lèi)型；（2）設(shè)計(jì)新轉(zhuǎn)輪葉片翼型。對(duì)原轉(zhuǎn)輪葉片的翼型進(jìn)行調(diào)整，使得過(guò)流面更加光滑，減少漩渦、回流的發(fā)生；（3）增加尾水管支墩。對(duì)尾水管設(shè)計(jì)支墩，優(yōu)化尾水管內(nèi)部的流態(tài)，提高回能系數(shù)。按照上述方法完成優(yōu)化設(shè)計(jì)之后，需要再對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行CFD分析，確定其流態(tài)已達(dá)到了更佳的效果。例如，某機(jī)組采用相似理論設(shè)計(jì)法完成機(jī)組的設(shè)計(jì)和建模后，采用CFD對(duì)其進(jìn)行流態(tài)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，機(jī)組的效率不高、轉(zhuǎn)輪葉片過(guò)流面的負(fù)壓區(qū)域較大、轉(zhuǎn)輪出水邊存在明顯的渦帶等問(wèn)題，則可以采用調(diào)整葉片翼型，讓各截面之間的過(guò)渡更加光滑，從而達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的效果，實(shí)現(xiàn)水力性能的進(jìn)一步改善。

5 結(jié)論

在分析了設(shè)計(jì)方法對(duì)于水輪機(jī)運(yùn)行效果的重要性之后，提出了相似理論法、CFD分析法以及優(yōu)化設(shè)計(jì)相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法。在預(yù)判水輪機(jī)內(nèi)部流態(tài)性能的前提下，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。縮短設(shè)計(jì)周期的同時(shí)，達(dá)到了優(yōu)化機(jī)組性能指標(biāo)的目的。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王旭，張佳芬，盧婧，等.水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片割邊改造的CFD與模型試驗(yàn)分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2017（1）：6-8.

[2]陳柱，秦波，桂亞琴.四川關(guān)州水電站水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].廣西水利水電，2013（6）：63-67.

[3]王旭，李萍，陳榮盛，等.水輪機(jī)橢圓蝸殼設(shè)計(jì)的CFD計(jì)算及試驗(yàn)分析[J].人民黃河，2016，38（1）：109-111.endprint