基于TRIZ發(fā)明原理的水輪發(fā)電機組優(yōu)化設計

王旭 陳榮盛 盧磊

摘?要：為解決水輪發(fā)電機組在優(yōu)化設計中出現(xiàn)的技術矛盾，改善機組的各項性能，在對某混流式水輪發(fā)電機組進行優(yōu)化設計時，為解決機組堵塞嚴重的問題，同時讓機組在優(yōu)化設計前后流場、效率以及出力等參數(shù)基本保持在設計值，提出了減少葉片數(shù)量的方案，分析了減少葉片數(shù)量會導致惡化的參數(shù)類型，以TRIZ發(fā)明原理的推薦方案為指導原則構建技術矛盾關系，并提出了降低活動導葉高度和增大葉片表面積等優(yōu)化措施，對全流道進行CFD數(shù)值計算和現(xiàn)場實測兩個方面驗證改造效果。結果顯示，改造后機組的流態(tài)良好，堵塞頻率顯著下降，且效率和出力均達到了預期水平，為后續(xù)機組的進一步優(yōu)化設計提供了參考依據(jù)。

關鍵詞：TRIZ發(fā)明原理;水輪發(fā)電機組;優(yōu)化設計;技術矛盾;CFD數(shù)值計算

中圖分類號：TV136?文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.10.032

Optimum Design of Francis Turbine Based the Principle in TRIZ

WANG Xu1， CHEN Rongsheng2， LU Lei3

（1.Chengdu College of University of Electronic Science and Technology of China， Chengdu 611731， China;

2.Chengdu Hydroelectric Investigation & Design Institute of SPC， Chengdu 610000， China;

3.Yingxiuwan General Hydropower Plant， Dujiangyan 611830， China）

Abstract：The primary goal of this research was to solve the technical contradiction in the process of Francis turbine optimum design. The paper took the Francis turbine as an example， in order to solve the problem of serious congestion and keep the good performance of turbine. We proposed to reduce the number of blades and analyzed to reduce the number of blade that could lead some parameters deterioration. And then the paper built the conflict matrix based the TRIZ. According to the guiding principles of TRIZ， we used the lower height guide vanes and enlarged blade area. At last， we did the simulation by CFD and site tests for verified the effectiveness and output. In conclusion， the results show that the improved turbine has a good performance. It has provided a reference for the future optimum design.

Key words： principle in TRIZ; francis turbine; optimum design; technical contradiction; CFD analysis

對于一些運行時間較長的中小型水電站，由于水輪發(fā)電機組轉(zhuǎn)輪選型不當、零部件設備老化等因素，容易導致流道堵塞、效率下降和出力降低等問題，影響電站的經(jīng)濟效益[1]，因此對水輪發(fā)電機組進行合理的優(yōu)化設計，在改善其性能、提升發(fā)電效率以及經(jīng)濟效益等方面有舉足輕重的意義。

有關水輪發(fā)電機組優(yōu)化設計的研究結果表明，采用單一措施改善機組某些性能參數(shù)時，往往會導致另一些參數(shù)的惡化。例如：當葉片包角增大時，機組出力能夠得到有效提升，但同時機組卻容易偏離最優(yōu)工況，其效率會有所下降[2];當葉片表面積增大時，轉(zhuǎn)輪的抗汽蝕性能和強度均會得到改善，但比轉(zhuǎn)速會降低[3];當葉片數(shù)量減少時，轉(zhuǎn)輪的過流量會顯著增大，但機組的汽蝕程度會加劇[4]。由此可見，在機組的優(yōu)化設計中，改善參數(shù)和惡化參數(shù)同時存在，即二者構成了技術矛盾。鑒于此，為避免惡化參數(shù)影響機組的整體性能，有效解決技術矛盾，筆者在對某電站混流式發(fā)電機組進行優(yōu)化設計時，采用了基于技術矛盾的解決理論——TRIZ發(fā)明原理[5]，并根據(jù)其指導原則，提出優(yōu)化設計方案，達到預期目標。

1?工程問題描述

以某水電站混流式水輪發(fā)電機組為優(yōu)化設計對象，該機組投入使用至今已近20 a。由于轉(zhuǎn)輪選型不當，機組自投入運行以來流道經(jīng)常堵塞，導致停機時間長、運行效率低和穩(wěn)定性差等問題，因此需要對該機組進行優(yōu)化改造，解決流道堵塞問題，提升其工作性能，將出力、效率等各項參數(shù)恢復至原始設計的狀態(tài)。原機組的部分參數(shù)見表1。

2?基于TRIZ發(fā)明原理的水輪機優(yōu)化設計

TRIZ發(fā)明原理是一種基于技術矛盾的解決理論。該原理是在工程問題解決方案統(tǒng)計學基礎上，發(fā)掘設計對象的技術矛盾，并通過推薦方案減輕或解決該矛盾，最終得到設計的理想解[6]。在對混流式水輪機進行優(yōu)化設計時，需要減輕或消除某個不利因素，然而，對該因素的改善會導致其余因素惡化，此時就構成了技術矛盾。因此，采用TRIZ發(fā)明原理的目的就是解決該技術矛盾，實現(xiàn)合理的優(yōu)化設計。具體流程如圖1所示。

2.1?技術矛盾關系的建立

由上述分析可知，該機組的主要問題在于轉(zhuǎn)輪選型不當造成流道堵塞，從而引起機組的其他性能問題。因此，如何消除流道堵塞，是優(yōu)化設計的關鍵因素。通常而言，采用減少葉片來增大轉(zhuǎn)輪開口是最行之有效的措施。然而，葉片的減少會增大水流的出口環(huán)量，導致機組效率下降;同時，由于葉片數(shù)減少后，其周向力、水力矩均會增大，因此在其余條件不變的前提下，轉(zhuǎn)輪強度會降低[7]。故消除流道堵塞與效率、強度構成了技術矛盾。

由于TRIZ發(fā)明原理中定義了39個通用工程參數(shù)，因此需要將水輪機的技術矛盾因素轉(zhuǎn)換成對應的通用工程參數(shù)[8]。通過減少葉片來消除堵塞的措施，主要是為了使過流量增加，而水流是處于運動狀態(tài)的，過流量增加則意味著流過轉(zhuǎn)輪的體積增加。因此，該因素轉(zhuǎn)換成的通用工程參數(shù)為運動對象的體積。 同理，分別將效率和強度轉(zhuǎn)換為對應的通用工程參數(shù)能量損失、強度。

上述構成矛盾的通用工程參數(shù)及TRIZ發(fā)明原理中推薦的解決方案見表2。

2.2?優(yōu)化設計方案的確定

根據(jù)表2中的解決矛盾推薦方案，進行機組的優(yōu)化設計方案分析和選擇。以能量損失為例，在水輪發(fā)電機組優(yōu)化設計中，具體的矛盾為：葉片數(shù)量的減少增大了轉(zhuǎn)輪開口及流量（即改善參數(shù)為運動對象的體積），但與此同時機組效率下降（能量損失加大）。因此，為解決該矛盾，表2中列出的TRIZ發(fā)明原理推薦方案包括7、15、13和16。發(fā)明原理7是將機組的某一個過流部件通過另一個過流部件的空腔來實現(xiàn)，而水輪發(fā)電機組的過流部件具有固定的配合關系，故該方案無法實現(xiàn);發(fā)明原理16是通過改善轉(zhuǎn)輪葉片的工藝和翼型等措施降低矛盾程度，即適當減輕效率的下降程度，但由于該機組的改造目標是在不降低效率的前提下減輕流道的堵塞，故該方案也不予考慮。發(fā)明原理15的指導原則為調(diào)整機組的過流部件，使內(nèi)部流場狀態(tài)改善，其性能得到優(yōu)化，即在保持經(jīng)濟性的前提下，不局限于轉(zhuǎn)輪，可以對任意過流部件進行結構改進;發(fā)明原理13，即采取逆轉(zhuǎn)措施來解決由于增大轉(zhuǎn)輪出口而產(chǎn)生的惡化因素。綜上所述，優(yōu)化設計方案推薦的可行發(fā)明原理為15和13，具體措施是：減少葉片數(shù)量，該措施會有效改善機組堵塞的問題，但水流流過葉片的過流量會增加，致使最優(yōu)工況向大流量區(qū)偏移，故必須調(diào)整流場動態(tài)性能，防止效率降低。采取利用適當降低活動導葉高度的措施來反向調(diào)整過流量（發(fā)明原理13），既能解決堵塞的問題，又消除了機組最優(yōu)工況向大流量區(qū)偏移的現(xiàn)象（發(fā)明原理15），確保效率不下降。按照上述方法，改善機組結構強度性能的措施見表3。

根據(jù)表3中的優(yōu)化設計方案，具體設計中，轉(zhuǎn)輪直徑保持不變，葉片數(shù)目按照比轉(zhuǎn)速進行確定，故將葉片數(shù)調(diào)整為14片，此時葉片平均開口將顯著增大，由改造前的21 mm增至30 mm;而導葉高度降低的程度，按照比轉(zhuǎn)速及水頭損失最小原則確定[8]，因此導葉相對高度由優(yōu)化設計前的0.225降低至0.200;轉(zhuǎn)輪設計按照文獻[9]的流程進行，新舊轉(zhuǎn)輪軸向流道對比見圖2。

3?CFD數(shù)值計算及現(xiàn)場測試

機組的優(yōu)化設計完成后，需要驗證其內(nèi)部流場的特征，以判斷水流的流態(tài)是否滿足要求。筆者采用CFD對機組進行流場模擬，數(shù)值計算對象為優(yōu)化設計后的機組全流道。

3.1?條件設置

在CFD分析前，對模型進行條件設置，主要流程如下。

（1）網(wǎng)格劃分。分別對主要過流部件蝸殼、導水機構、轉(zhuǎn)輪及尾水管劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格類型均采用TGrid，并進行拼接[10]。

（2）定義邊界條件。將蝸殼的進口截面設置為壓力進口邊界，尾水管出口截面設置為壓力出口邊界[10]。

（3）湍流模型的選擇。在定常流動中，湍流是不均勻的，受機組內(nèi)部過流部件形狀的影響，水流呈曲線軌跡，因此RNG k-ε湍流模型的適應性較好[11]，故湍流模型確定為RNG k-ε模型。

3.2?計算結果的后處理

對額定水頭下導葉開度為70%、80%、85%、90%和100%的5個工況點進行仿真，以85%開度為例進行計算結果后處理分析。

3.2.1?流場特征分析

導水機構流場狀態(tài)如圖3所示，從進水端至出水端，水流速度呈增大的趨勢，且整個流線比較順暢。無論是固定導葉進水端還是活動導葉出水端，都未發(fā)生明顯的脫流和旋渦等現(xiàn)象。從壓力的分布情況來看，沿進水端至出水端逐漸降低，也表現(xiàn)出均勻變化的規(guī)律。整體而言，速度與壓力均沿導水機構的周向?qū)ΨQ，表明流態(tài)情況良好。由此說明，降低相對高度后的活動導葉與轉(zhuǎn)輪配合情況較好。

新轉(zhuǎn)輪葉片的壓力分布情況如圖4所示，從葉片的進水邊到出水邊，其正面和背面的壓力基本表現(xiàn)為梯度均勻下降的規(guī)律。從負壓范圍來看，葉片正、背面進水邊與下環(huán)配合處的極小區(qū)域存在負壓，表明葉片抗汽蝕性能良好。轉(zhuǎn)輪葉片速度分布情況如圖5所示，水流比較流暢、整個轉(zhuǎn)輪流場范圍均未發(fā)生二次流動（回流、脫流和橫向流），從進水邊至出水邊的速度逐漸增大，能量轉(zhuǎn)換效果良好。

整個流道的速度分布如圖6所示，水流從蝸殼進口至尾水管出口，整體的流動比較順暢。蝸殼中的水流呈等速度矩分布的規(guī)律，起到了較好的引流效果，為導水機構和轉(zhuǎn)輪的良好流態(tài)分布奠定了基礎。當水流進入尾水管時，其速度矢量基本能夠保持垂直向下，且尾水管的直錐管段內(nèi)不存在偏心渦帶，而普通渦帶從尾水管的中段至末端逐漸減弱直至消失，符合尾水管內(nèi)部的正常流動規(guī)律[12]。

綜上所述，采用TRIZ發(fā)明原理完成優(yōu)化設計后從機組內(nèi)部流動特征來看，水流的動態(tài)特性良好，達到了預期的效果。

3.2.2?效率、出力預測及現(xiàn)場實測

優(yōu)化設計后的機組效率和出力是否能夠達到原設計參數(shù)，需要根據(jù)CFD分析結果進行預測。其中，效率預測的步驟為：

（1）根據(jù)各工況下的CFD計算結果，獲得力矩、流量以及轉(zhuǎn)速等參數(shù)值。

（2）計算出效率及出力。二者的計算公式分別為[13]

η=TωρgQH（1）

N=ρgQHη（2）

式中：η為效率;T為轉(zhuǎn)矩;ω為發(fā)電機軸的旋轉(zhuǎn)角速度;ρ為流體密度，即103 kg/m3;g為重力加速度，即9.8 m/s2;Q為流量;H為水頭;N為出力。

按照上述步驟，在額定水頭下，計算導葉開度為70%、80%、85%、90%和100%工況下的效率與出力值，并采用文獻[14]的方法進行修正，獲得了發(fā)電機出力值。同時，由于該優(yōu)化措施已被電站實施，因此結合電站反饋數(shù)據(jù)情況，將效率及發(fā)電機出力的仿真和實測值進行對比，見圖7、圖8。

從圖7可以看出，CFD仿真結果和現(xiàn)場實測效率的變化規(guī)律基本一致，二者均在導葉開度為85%時效率達到最高。但整體而言，各開度下的效率偏差均不是很大。受機械損失、容積損失等因素的影響，各開度下的現(xiàn)場實測值均比仿真值略低，但誤差較小，除導葉100%全開外，效率基本上保持在87.5%～88.7%，基本滿足要求。

從圖8可以看出，現(xiàn)場發(fā)電機出力實測值比發(fā)電機出力計算值也略低，在各開度下，二者的偏差均在5%以內(nèi)，屬于合理的誤差范圍。同時，根據(jù)現(xiàn)場實測結果可知，當導葉開度為87%時，機組達到額定出力，而CFD分析預測達到額定值的開度為85%，故二者的結論基本一致。最后，以一個汛期為觀察周期，統(tǒng)計發(fā)生堵塞的次數(shù)為3次，遠低于優(yōu)化前平均每天堵塞1次的頻率。

綜上所述，從機組的效率、出力和堵塞頻率來看，采用TRIZ發(fā)明原理對機組進行優(yōu)化設計，通過增大轉(zhuǎn)輪開口解決堵塞問題的前提下，其余參數(shù)均保持在預期水平，最終的改造效果是比較良好的。

4?結?論

針對某電站混流式水輪發(fā)電機組運行中存在堵塞的問題進行優(yōu)化設計，分析了機組改造中存在的技術矛盾，采用TRIZ發(fā)明原理從導葉高度降低、轉(zhuǎn)輪葉片的設計等方面進行改造。從CFD分析及現(xiàn)場實測結果兩個方面均體現(xiàn)出了該優(yōu)化設計方案的合理性，同時堵塞的頻率大幅下降，達到了預期的改造目標。

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【責任編輯?崔瀟菡】