軸流式水輪機葉片進水邊形狀對其性能的影響

張秀紅

摘 要：在軸流式水輪機中，其輪機葉片的幾何形狀會對軸流式水輪機的性能和運行區間產生很大的影響。故而，研究同一葉片安裝角度下，水輪機不同葉片形狀對運轉情況的影響，有利于提升軸流式水輪機的工作效率。本文將從這個角度出發，通過對比分析不同葉片條件下的水輪機中的水流特征和壓力分布，找到提高軸流式水輪機效率的有效策略。

關鍵詞：軸流式水輪機 進水邊 葉片形狀 性能影響

中圖分類號：TK73 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2019）02-0-01

軸流式水輪機葉片的形狀在長時間的實踐應用中，不斷的發生著變化，在最初的設計中，是根據同一軸面上葉片出水邊的位置，以及葉片的形狀和長度來設置進水邊葉片。這種設計方式通常是將進水邊與出水邊放置在同一空間曲線上，這就導致軸流式水輪機在運行過程中，常常出現葉片斷裂或者產生裂紋的情況。在國內的應用中，由于最優理論的提出，人們得到了理論上最優化的進水邊葉片設計方式。在這一時期，我國的吳仲華先生提出的兩種理論（S1，S2）被大量的運用到了水力機械設備的葉片設計中。時至今日，基于兩種理論的水輪機葉片設計仍在被廣泛的應用。雖然有一些變化，卻也是在這兩個理論基礎上變形得來的。在那之后的發展中，由于計算流體力學（CFD）的不斷創新和應用，軸流式水輪機葉片的形狀幾經調整，產生了多種不同的形狀。同時，對于水輪機的壽命也能夠通過計算空化磨損的方式來得出較為準確的預測。

一、軸流式水輪機葉片的傳統設計方法

在軸流式水輪機運行的過程中，其內部水流的流動方式是極為復雜的三維流動方式。在計算流體力學（CFD）的理論基礎上，我們在對軸流式水輪機進水邊葉片進行設計時，通常要進行一下幾個假設：第一，假設水流不具有粘性也不能夠被壓縮，是一種均質的液體；第二，假設在軸流式水輪機運轉過程中，其內部液體中任何一點的壓力、速度和密度都不會隨著時間的變化而變化；第三，假設轉輪區域內的水流的絕對速度徑向分量為零，即 ；第四，滿足圓柱層無關性假設。也就是說，在水輪機進水邊葉片形狀的設計中，要在默認上面四條假設的情況下進行。

1.升力法

在軸流式水輪機葉片形狀的設計中，升力法是運用最早的一種方法。從流體力學的角度來看，在水輪機運轉過程中，當水流圍繞葉片流動時，水流與葉片之間必然會產生相互作用力，這一作用力分為兩種，一種是垂直于水流進入方向的升力，另一種是平行于水流進入方向的阻力。基于這一現象，通過努闊夫斯基的升力理論，開創性的使用升力法設計了軸流式水輪機葉片的形狀。升力法的具體計算方式為，在葉片的形狀和尺寸以及安裝角度不變的情況下，通過計算可以得出水流流過葉片時產生的作用力。這一計算方式是可逆的，也就是說，在已知葉片受力狀況的情況下，通過計算能夠得出葉片的尺寸和安裝角度。在實際的實際過程中，還應將葉片的動力特性考慮在內，因此，升力法其實是一種理論與經驗相輔相成的設計方式。

2.升力法的實際運用

在升力法的實際運用中，我們參照某水電站水輪機的一組數據來進行分析，如表1。

在表1中，A，B，C分別為三種不同的進水邊葉片形狀，通過分析表中數據我們可以發現，在截面數相同的情況下，不同葉片設計方案中的流量工況不同，在A，B，C三種設計方案中，B方案在小流量工況下的效率最優；A方案在最佳工況下和大流量工況下的效率最優；C方案在三種工況下的效率均弱于其他兩種方案。同時我們還能發現，徑向流量速度會隨著截面數的增加而加快，當截面數為4時為最優，當截面數超過4時，效率明顯下降。

表1中的數據是在具備三種不同形狀葉片的情況下，通過設備運轉實驗收集到的數據，而升力法可以在既定徑向流量和截面數的情況下，反向計算出葉片的規格參數。同樣的，在已知葉片參數的情況下，也可以通過升力法計算出該葉片最適合運用于哪種流量工況中。

二、軸流式水輪機葉片的現代設計方法

現代科學技術的發展，特別是計算機技術的發展，使得軸流式水輪機葉片設計有了飛躍式的發展。在過去的設計中，設計過程通常依賴于手工，是一種靜態的、隨機的設計方式，受到經驗和個人主觀因素的影響。在現代設計理論體系中，在充分了解軸流式水輪機葉片運動規律的基礎上，運用最優控制理論，結合計算機強大的運算能力進行的一種定量設計。它的優勢是十分明顯的。相比于傳統的設計方式，它是一種動態的、科學的設計方法，避免了人為設計產生的誤差和主觀影響。所以，在近幾年來，基于吳仲達先生的兩種算法（S1，S2），出現了許多現代特色的設計理念，例如：奇點分布法。

在當前的應用中，奇點分部法能夠有效解決葉柵繞流問題，是一種被廣泛使用的方法。奇點分部法實質上是勢流疊加法的一種實踐應用，是在求解平面勢流問題的過程中發展而來的。它的基本理論是，在設計軸流式水輪機葉片的過程中，通過對水輪機運轉產生的勢流中點窩、點匯、點源的集中分布數據，帶入勢函數和流函數進行解析，求解葉柵的繞流問題。在計算過程中，一般我們認為，如果葉片的厚度較小，那么可以用骨線來代替葉型，那么就可以用連續分布骨線的渦層來取代葉柵。而當求解對象為厚度較大的葉柵時，可以通過在葉片上分布渦、點、匯的方式，讓其滿足葉型邊界為封閉流線的條件。相較于其它幾種現代設計理念中的葉片設計方式，奇點分布法出現的較早，其具有比較嚴密的數學基礎，在函數計算過程中容易收斂。因而它具有較高的精準度。但是在適用范圍上，對于葉片較厚和繞度較大的葉片設計中還有一定的局限性，需要進一步完善。