CFD和FEA在混流式水輪機轉輪葉片局部改型中的應用

高健　劉曉娟

摘要：國內外大型水輪機企業都有雄厚的技術實力，各個水頭斷均有優秀的轉輪。但是每一個電站的水文特性不盡相同，轉輪在一般情況下不能直接套用。針對部分直接套用后的轉輪，出現能量特性、空蝕性能、水利穩定性下降的情況，從轉輪優化改型安全性和成本控制考慮，利用CFD和FEA技術對轉輪葉片進行局部優化，是一種比較經濟和安全的設計方案。

關鍵詞：CFD;有限元分析;剛強度;混流式水輪機

一、前言

五一橋水電站HLA575C轉輪，為上個世紀90年代研制的老型號轉輪。由于該轉輪在五一橋水電站投運之初，并未經流場分析與轉輪剛強度計算，轉輪不可避免地在水力設計上存在一些缺陷，導致轉輪在運行之中出現過多次葉片裂紋和脫塊現象。鑒于此，五一橋公司通過CFD技術，結合有限元分析，對HLA575C轉輪及通流部件的內部流場結構、轉輪剛強度、轉輪動力特性進行計算，提出了轉輪葉片局部改型的優化方案。既在原轉輪木模圖基礎上，保持轉輪葉片主體型線不變，并結合CFD技術對轉輪結構進行優化，將轉輪葉片做局部增厚和葉片出水邊三角區適當延長;同時利用有限元分析技術，驗算改型后的轉輪剛強度與動力特性是否滿足設計要求，以提高轉輪的性能指標。

二、轉輪CFD流動分析

2.1葉片增厚方案

HLA575C轉輪葉型改造基于原型號木模圖進行，葉片主體形線沒有改變，僅是進行了局部強化處理。葉型強化主要對葉片正面后1/3部分進行了增厚處理，并對頭部背面進行了局部加厚，最大增厚約4mm～6mm。

2.2三角塊增強工藝

理論及實踐證明，轉輪出口加裝三角塊，對消除上冠下環三角區應力集中有顯著作用。該工藝方案能夠有效增強葉片強度，抵抗轉輪出口渦帶擺動帶來的動應力，大幅減少葉片發生裂紋的幾率。五一橋水電站HLA575C轉輪三角塊厚度由原來出水邊理論厚度7mm增加到14mm左右，三角塊沿流線方向長30mm，寬50mm。

2.3計算工況點及方法

HLA575C轉輪的模型綜合特性曲線，最優工況點單位轉速n11≈67.2r/min，單位流量Q11≈470L/s。五一橋轉輪改型方案僅是加強處理，沒有翼型優化，要維持其原有水力性能，只需要校核其最優工況轉輪出口流速分布、內流態、葉片表面壓力分布、負荷分布等維持原有規律即可。

HLA575C轉輪仿真計算采用的是單通道水力模型相對比較方法，即在同樣的導葉開度下，通過給定總壓進口、均壓出口和最優單位轉速時水輪機轉速，求解最優單位流量，通過流量、效率、壓力、環量等特征參數相對比較，即可判斷葉型局部加厚后，設計工況有無漂移，水力特性有無變化。

2.4仿真計算

（1）定量結果

表1為定量計算結果。可以看出，在同一導葉開度下同一單位轉速67.2r/min，改造轉輪單位流量比原轉輪小0.44L/s，相對效率低0.01%，這一結果符合預期，是葉片局部增厚后過流能力減小，摩擦阻力增大的正常結果。

（2）轉輪出口流速分布

圖1為轉輪出口流速分布。可以看出，改造前后轉輪出口環量（綠色）分布基本一致，且改造后出口軸向流速（紅色）更為均勻。說明轉輪的出口流態沒有大的變化，且有向好趨勢，尾水管能量回收、葉片進口背面壓力分布、葉片表面的局部脫流都會比原來更好。

（3）葉片負荷曲線

圖2為轉輪葉片負荷分布。可以看出，改造前后負荷分布規律基本一致，且葉片頭部背面增厚后，減緩了葉片頭部背面壓力突變，減小了強沖擊，更有助于高水頭葉片的穩定性。

（4）葉片壓力分布

圖3為轉輪葉片表面壓力分布。可以看出，改造前后轉輪葉片正背面壓力分布基本一致，且葉片光滑處理后壓力梯度更均勻，有助于內部穩定做功。

（5）轉輪內流場

圖4為轉輪內部流場。可以看出，改造前后轉輪內部流線分布幾乎完全一致，說明轉輪內部流場沒有變化，轉輪改造前后的水力特性應該基本一致。

通過定量計算和校核工況計算，局部加厚和三角區適當延長前后，轉輪的過流能力和效率沒有明顯變化。圖1～圖4對比可以看出，在最優工況增厚前后，轉輪出口流速分布、葉片壓力分布、負荷曲線、內部流場都沒有明顯變化。因此，葉片增厚方案不會對原轉輪的水力特性帶來有害影響，原模型綜合特性不會發生較大變化。

三、轉輪改型剛強度分析

3.1計算工況及載荷

五一橋轉輪改型通過有限元法，借用ANSYS分析程序，對轉輪的剛強度及動力特性進行了計算與分析，計算工況點包括：飛逸工況、額定水頭工況、最大水頭工況。載荷條件包括離心載荷、重力載荷和壓力載荷。

3.2計算模型及邊界條件

五一橋轉輪計算模型，采用的整體轉輪結構。有限元分析中，采用ANSYS三維實體單元 （SOLID186） 對結構進行離散，通過接口程序建立由水力設計提供的水壓力數據。邊界條件按實際情況對計算模型進行邊界處理。

3.3應力考核標準及分析結論

根據計算結果，轉輪在預期的最大荷載條件下正常運行時，各部位最大應力未超過材料屈服極限的1/5 （ 116MPa ）;在最高飛逸轉速時，最大應力未超過材料屈服極限的2/5 （ 232MPa ） ，證明五一橋改型轉輪的結構設計滿足強度要求。

四、轉輪改型動力特性計算

五一橋轉輪改型采用流固耦合的方法對轉輪進行水下固有頻率分析。轉輪上冠與主軸把合面進行全自由度固定約束，結構與水體接觸面設置流固耦合邊界條件。

轉輪水下主要固有頻率計算結果、振型情況，與機組可能的激振頻率對比，其結構均避開了激振源頻率，具有良好的動力特性，不會產生共振。

五、結語

五一橋水電站HLA575C轉輪自投運以來，一直存在葉片進水邊氣蝕、出水邊頻發裂紋和脫塊的現象。通過CFD和FEA技術，采用較為保守的葉片局部改型方案，成功解決了上述問題。并在機組運行中，實際檢驗了機組振動情況較改造前得到提升，轉輪出力和機組效率未發生下降，轉輪也未再出現裂紋。說明葉片局部增厚和加裝三角塊工藝，在保持原有水力特性的基礎上，可以有效增強原轉輪的剛強度，能夠防治葉片掉塊等原發性問題。

參考文獻

[1] 中國電力出版社，《中國電力百科全書+水力發電卷》[G]，水電站機電部分，水輪機部件。