軸流式水輪機葉片翼型參數化設計

詹詩文

摘要：我國水力資源豐富，水能開發工作穩步推進，與發達國家相比，依舊存在一定不足之處。目前，隨著我國對這方面的支持進一步加大，水電開發工作日益加快。本文主要介紹了我國軸流式水輪機發展現狀，然后展開軸流式水輪機葉片翼型參數化相關設計，建立相應的模型，生產3D水輪機葉片，節約時間和制造成本。

關鍵詞：軸流式水輪機;翼型;參數化設計

0 ?引言

目前，我國水利資源豐富，水電建設工作已經取得一定進展。自從20世紀云南水電站建設至今，已經經歷了100多年的發展，我國已經成為世界水電第一大國。但是根據相關研究，我國水電開發利用率較低。軸流式水輪機作為現階段水電開發的重要機械，需要技術人員格外注重，綜合提高管理能力。

1 ?軸流式水輪機發展現狀

軸流式水輪發電機在20世紀便已經由奧地利科學家提出，這種機械可以自動調整螺旋槳葉片和導葉，通過自身結構來獲取更高的收益。與其他內流反擊式水輪機相比，這種水輪機可以有效提高水利資源利用率，從動能和勢能上都可以獲取能量。在實際應用中，這種機械設計有效結合徑向和軸向兩種水輪機擁有的功能，實現了自身結構的創新。

在水利設施應用中，相同的水頭下，這種軸流式水輪機與混流式水輪機在過流能力上存在差異，軸流式水輪機的過流能力較大，而混流式水輪機的空化性能較強。這種結構設計簡單，并且在水利工程中應用廣泛，造價相對于混流式水輪機較低。但是這種水輪機葉片隨著角度的變化而改變，適用于水負荷變化小的水電站。

軸流式水輪機在使用中，由于自身屬性，整體建設工作與企業水頭較高的水輪機相比，具備很多優勢。這種水輪機配備水電站，在建設過程中需要開挖的深度較低，可以有效節約資金，提高資源利用率。

2  軸流式水輪機葉片參數化設計

2.1 軸流式水輪機2D翼型參數化初步設計

軸流式水輪機2D翼型參數化設計工作是整個葉片設計的第一步，也是最為關鍵的一步，只有打好了根基，才能有效提高水輪機葉片設計。在設計階段對翼型進行參數化設計，可以實現3D葉片的參數化建模。通過對現有葉片進行翼型分析，完成水輪機2D翼型初步設計工作。

通過對某四葉片水輪機的相關研究，可以得到圖1所示水輪機截面。

對這段截面展開翼型展開分析，可以得出整個翼型的中軸線，方便確認骨線的位置。通過對截面的研究，在單葉片上，翼型的相對厚度是不一樣的，兩者之間存在類似的變化趨勢。即：相對厚度之間存在最大值，隨著截面半徑的逐步增大，葉片的最大厚度呈現下降的狀態。

Bezier曲線是計算機繪圖中的重要曲線，通過矢量圖來實現圖形的繪制，這種智能化的矢量圖能夠提高工作效率，實現圖形編輯工作。熟練使用參數化設計方法，對翼型分析結果展開，特征參數設置為最大厚度，在整個翼型繞流分析中，注重最大厚度點附近出現的邊界脫離現象。

通過對翼型展開分析，將其有效劃分為四段，分別進行參數化相關設計。通過分析最大厚度曲線的相關數據，可以使用多項式展開圖形的擬合，對整個曲線進行研究，可以得到各段參數的擬合結果。

通過以上研究，可以得出曲線參數化設計方法，來提高不同翼型之間的參數化驗證，提高整體設計的適用性。

通過參數化設計，與之前的原始機型之間展開分析，可以得出參數化設計的翼型比原始翼型的性能更好。在5度的攻角下，參數化翼型與原始翼型之間，助力系數的變化趨勢一致，但是隨著角度逐漸增強，參數化翼型的設計原始翼型低了20%。總體上，兩者差距隨著升阻比的變化，差距進一步加大。參數化設計翼型與原始翼型之間進行模擬，參數化翼型設計比原始翼型具備更好的效果。

根據相關分析，可以得到如下結論：第一，無論翼型的攻角為多少，整個翼型的上表面壓力相同，但是下表面會隨著翼型的幾何變化，發生相應的變化。參數化設計翼型的后部壓力與原始翼型之間相比，顯得更小，所以參數化翼型產生的升力較小。第二，在水平方向，壓力分布下相同，相應的阻力分析也是相同。第三，水輪機參數化設計翼型與原始翼型之間存在差異，主要是由于后部幾何偏差造成。

2.2 軸流式水輪機2D翼型參數化優化設計

通過對上文描述的2D翼型參數化設計，需要進一步優化，來實現軸流式水輪機葉片翼型設計工作。由于之前得出的結論，后半部翼型之間存在較大差異，造成壓力不均勻，影響到整體工作的穩定性。需要增加相應的控制點數量，來實現整體方案的優化。（圖4）

在優化過程中，需要判斷該翼型是否適用，對其展開分析判斷，及時驗證是否符合相應的要求。（圖5）

優化之后的設計，大為改善了初步設計中存在的誤差，后期的擬合精度有效提升，符合相關設計的需要。分析結果表示，兩者之間存在一定的相似程度，高達86.3%，改進后的相關設計，在不同攻角下，升阻比差距不大，在5度的攻下兩者的升阻比變化趨勢一致，當升阻比提升到1.15的時候，原始機型會降低5%，參數化設計基本相同，原始翼型在相應的升阻比可以穩定增長速度，優化自身設計。總之，優化之后的翼型與原始設計之間存在緊密聯系，相對于之前的結果，優化過后的翼型在升阻比之上有了一定改善。在三個翼型攻角的時候，參數化設計翼型與原始翼型之間的升力系數大了3%，同時助力系數與原始翼型相比，有了10%左右的差距，但是兩者數值較小，并不存在一定的誤差，在攻角為5度的時候，升阻比較小的為參數化翼型升阻比，參數化翼型工作的氣動性優于原始翼型。

優化后的翼型在設計中，與原始翼型之間頗為類似，避免了設計階段出現較大誤差，整體性能之間有了較大改善，氣動性能較為優異，對優化后翼型展開場流分析，不同攻角的壓力系數不同，與原始翼型之間相比，參數化設計翼型的性能更為優異。而在其他方面，兩者之間并不存在較大差異。優化后的翼型在外形上更為準確，在氣動性能上，升阻力系數有了提高，和原始翼型之間的差距不大，為后續的參數化造型設計提供了可靠保障。

2.3 軸流式水輪機3D葉片的參數化設計

對翼型安放角進行參數化分析，可以得到相應的變化規律，展開現有軸流式水輪機葉片分析，可以得到相應的分布規律。僅僅采取翼型安放角是不夠的，還需要設置相應的最大厚度分布規律，來實現3D參數化造型方法。

在水輪機不同截面之間，采用二階多項式展開擬合，對3D葉片展開建模工作來實現3D葉片模擬，得到整個軸流式水輪機外部輪廓。

對結果展開模擬，選擇合適的葉片進行實例分析，將葉片的水力特征展開分析，對不同的葉片效果展開比較，選擇最優的模型。

葉片的翼型最大厚度與截面半徑之間，不同翼型最大的厚度與截面半徑之前存在一定數量關系，具體表現為最大厚度與截面半徑平方之間存在反比關系。而翼型的隆起高度與最大厚度之間，存在正比例關系。對翼型展開參數化分析，結合相應的條件，可以得出相應的翼型3D模型。在對模型進行分析的時候，葉片的功能力比厚葉片強很多，在后期設計中，考慮到相應的需求，可以選用內側截面作為標準翼型截面，這種葉片只有表面存在不貼合葉片表面，其他地方還是可行的，適合整體設計的需要。

3 ?結論

總而言之，現代軸流式水輪機設計工作，通過參數化設計，可以穩步提升設計效果。如今軸流式水輪發電機是時代的發展方向，做好設計工作對于水利資源的利用有實際意義。通過對現有翼型展開截取，獲得原始翼型，進行參數化設計之后，進一步完善，得到相應的參數化設計，來實現軸流式水輪機葉片翼型參數化設計工作。

參考文獻：

[1]柳海鵬，陳柱.軸流式水輪機增效擴容出力不足原因及優化[J].水電站機電技術，2019，42（06）：4-6，71.

[2]吳迎新.超低比轉速斜流式水輪機的優化及流場分析[D].華北水利水電大學，2019.

[3]伍賽特.水輪機技術現狀與發展趨勢[J].內燃機與配件，2018（13）：103-104.