基于長短葉片混流式水輪機三維數值模擬

晏祝，劉小兵，程偉

(西華大學能源與動力工程學院，四川 成都 610039)

近年來，大型機械的設計制造水平飛速發展，混流式水輪機的發展也日新月異，其中，長短葉片混流式水輪機具有運行穩定，適應性好，效率高等特點，受到行內專家的一致好評。[1-2]

胡秀成等人[3]，對水輪機進行了三維模擬，認為水輪機應該具有長短葉片，并且做出比較得到了具有長短葉片的水輪機的優勢；魏顯著等人[4]為了提高混流式水輪機的效率，采用整體設計的思想設計水輪機，最終得到了從蝸殼進口到尾水管出口的完整設計方案，從而提高了水輪機效率。曹芳濱等[5-6]對水輪機進行模擬，發現有長短葉片的水輪機壓力分布更加均勻，且在大流量條件下水力性能更好?；谝陨显?，有必要研究在多種工況下長短葉片水輪機流動情況，為混流式水輪機的設計提供一定的理論參考。

1 幾何模型及計算網格建立

本研究某混流式水輪機。其主要參數有：轉輪直徑：350mm，長葉片15個，短葉片15個，8個固定導葉，24個活動導葉。利用商業軟件，對蝸殼，坐環，轉輪，尾水管進行三維建模。

全流道采用非結構四面體網格，它具有適應性強的特點，為了讓網格質量更好，對速度、壓力變化梯度大的區域進行局部加密。

2 計算結果及分析

2.1 轉輪速度分析。不同開度工況下轉輪出口線性速度分布。選取葉輪出口與尾水管進口交界面，得到葉輪出口沿徑向速度分布。在不同開度工況下，轉輪出口截面速度總體呈現半徑的增加速度增大的趨勢，但是在半徑最大處有一個驟降。出現驟降的原因是由于在固體壁面附近的薄層中,粘性力的影響則不能忽略,沿壁面法線方向存在相當大的速度梯度，所以出現速度驟降。

最優開度工況下速度變化十分平穩，說明尾水管進口處流體均勻進入，然而小開度和大開度工況下速度變化梯度較大，其主要原因是蝸殼與轉輪存在動靜干涉，且隨著流量的增大，蝸殼與轉輪的動靜干涉效應越明顯，這使得整個流道流動紊亂，有脫流損失最終導致水力性能差。

2.2 尾水管。流體在尾水管中流動十分復雜，在不同工況下回流、旋渦、撞擊的大小強度各不相同尾水管回復系數作為判斷水輪機內部質量的參數，具有精度高，容易計算等特點。尾水管回復系數越大說明尾水管中流體流動越合理，原因是尾水管中的離心力能夠有效的控制流體流動，當離心力達到一個最優值流體將不會從尾水管管壁脫流，有利于尾水管能量的回收。

尾水管壓力回復系數定義為：

計算得出：不同導葉開度所對應的壓力回復系數不同，在最優工況時，尾水管壓力回復系數最大，達到80.82%，然而小工況和大工況下所對應的尾水管壓力回復系數分別為76.48%和79.56%，可以看出在最優工況時尾水管回復系數大于其它工況下的尾水管回復系數，最優工況與大流量工況差異不大，說明最優工況和大流量工況下尾水管中的離心力能夠有效的控制流體流動，減少了尾水管管壁脫流現象的發生。綜上所述，在最優工況時尾水管能量回收最好，提高了水輪機效率。

3 結論

轉輪出口處流動過程極為復雜，蝸殼與轉輪存在動靜干涉，且隨著流量的增加，蝸殼與轉輪的動靜干涉效應越明顯。壓力面附近的相對速度較大，從壓力表面到吸力表面呈現降低趨勢，且有流動紊亂，脫流損失等現象出現。

渦流集中在尾水管進口附近，而水流入直錐管后流線較為平穩，但是在中段有不同程度的旋渦。計算尾水管回復系數得出：在最優工況時，尾水管內部流動更合理，能量回收最好，最大限度的提高了水輪機效率

[1] 胡全友,劉小兵,趙琴.長短葉片水輪機轉輪內固液兩相流數值模擬[J].人民長江,2016,(02):86-91.

[2] 余燕.混流式水輪機全流道內部流動特性數值分析[M]蘭州:蘭州理工大學出版社,2010

[3] 胡秀成,張思青,張立翔.基于CFD的長短葉片水輪機轉輪研究[J].水電能源科學,2009,(03):144-146.

[4] 魏顯著;劉萬江;韓秀力.基于現代CFD過程的軸流式水輪機通道的改進設計[J]東方電氣評論,2005,19(1)1-7,17

[5] 曹芳濱,張思青,張曉旭.長短葉片水輪機轉輪氣液兩相流的數值模擬[J].水電能源科學,2013,(12):214-216.

[6] 曹芳濱.基于CFD的長短葉片水輪機轉輪三維空化數值模擬[D].昆明理工大學,2013.

[7] 廖偉麗,姬晉廷,逯鵬,羅興锜.混流式水輪機的非定常流動分析[J].機械工程學報,2009,(06):134-140.

[8] 胡全友,劉小兵,趙琴.基于兩相流動理論的混流式水輪機葉輪內泥沙磨損的數值模擬[J].水電能源科學,2016,(07):183-186.