劉安然，施 晶，石祥鐘，王利英

（1.河北工程大學(xué)水電學(xué)院，河北邯鄲 056021;2.中國(guó)電能成套設(shè)備有限公司，北京 100011）

混流式水輪機(jī)葉片具有較復(fù)雜的空間扭曲形狀［1］，葉片的形狀決定了轉(zhuǎn)輪的性能，設(shè)計(jì)不合理會(huì)造成運(yùn)行過(guò)程中的效率較低、汽蝕和動(dòng)力性能較差等問(wèn)題［2－3］?；贑AD－CFD軟件對(duì)水輪機(jī)葉片優(yōu)化方法進(jìn)行研究［4－5］，根據(jù)二元理論設(shè)計(jì)出適用水頭為140 m～170 m的混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪（設(shè)計(jì)過(guò)程中參考了臨近水頭推薦的HL160水輪機(jī)）［6］，使用 Workbench/BladeGen［7］對(duì)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行參數(shù)化造型，再利用CFX進(jìn)行流場(chǎng)分析，基于分析結(jié)果評(píng)估其性能，研究分析了轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其性能的影響，通過(guò)轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)化沿翼型壓力分布，改善了流態(tài)并提高了能量性能。對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片的適應(yīng)性進(jìn)行優(yōu)化，選擇不同的開(kāi)度［7］，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行微調(diào)，提高了轉(zhuǎn)輪的整體性能。本文使用BladeGen對(duì)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片參數(shù)化控制，根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)和CFD分析結(jié)果不斷的調(diào)整水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)，有效的實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)輪整體性能的優(yōu)化，節(jié)約了CFD分析的時(shí)間，有助于深入探究水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)和性能之間的復(fù)雜關(guān)系。

1 轉(zhuǎn)輪初步設(shè)計(jì)及其內(nèi)部流場(chǎng)計(jì)算

1.1 轉(zhuǎn)輪的初步設(shè)計(jì)

根據(jù)二元設(shè)計(jì)理論，以逐步逼近的試算方式畫(huà)出軸面流線和等勢(shì)線，利用軸面流線旋轉(zhuǎn)即可得到流面，對(duì)水流質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行積分，對(duì)流線進(jìn)行加厚，得到各流面層上翼型的空間數(shù)據(jù)。將轉(zhuǎn)輪各部分?jǐn)?shù)據(jù)整理為ibl格式的數(shù)據(jù)文件讀入到BladeGen中，將葉片個(gè)數(shù)等參數(shù)設(shè)定后即可生成轉(zhuǎn)輪實(shí)體，根據(jù)葉片表面光滑性，對(duì)其進(jìn)行初步優(yōu)化，葉片各流面層翼型及其軸面投影如圖1所示，轉(zhuǎn)輪實(shí)體模型如圖2所示。

1.2 水輪機(jī)全流道CFD計(jì)算

根據(jù)蝸殼、座環(huán)、活動(dòng)導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪和尾水管各部分的幾個(gè)尺寸，繪制出各部分的流動(dòng)計(jì)算域幾何模型，水輪機(jī)全流道如圖3所示。

蝸殼與固定導(dǎo)葉計(jì)算域使用ICEM劃分為四面體網(wǎng)格，蝸殼計(jì)算域網(wǎng)格單元數(shù)為68 272，座環(huán)計(jì)算域網(wǎng)格單元數(shù)為36 539，轉(zhuǎn)輪和活動(dòng)導(dǎo)葉部分的計(jì)算域網(wǎng)格用TurboGrid劃分，轉(zhuǎn)輪計(jì)算域網(wǎng)格單元數(shù)為100 926，活動(dòng)導(dǎo)葉計(jì)算域網(wǎng)格單元數(shù)為17 136，尾水管計(jì)算域網(wǎng)格用ICEM劃分為六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格單元數(shù)為112 342。

使用 CFX軟件進(jìn)行 CFD計(jì)算，選用 k－Epslion湍流模型，設(shè)置蝸殼進(jìn)口為速度進(jìn)口，尾水管出口為壓力出口。導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪部分取單流道，將轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)葉的單流道計(jì)算域設(shè)定為繞Z軸旋轉(zhuǎn)的周期性計(jì)算域，其中導(dǎo)葉數(shù)為24個(gè)，轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)為17個(gè)。蝸殼與座環(huán)、座環(huán)與活動(dòng)導(dǎo)葉交界面都設(shè)置為一般連接交界面，導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪、轉(zhuǎn)輪與尾水管交接界面設(shè)為凍結(jié)轉(zhuǎn)子交界面。在可能運(yùn)行范圍內(nèi)選取的計(jì)算工況如表1。

表1 計(jì)算工況表Tab.1 Working conditions of calculation

表1考慮了轉(zhuǎn)速為780 r/min，流量為117.00 L/s的設(shè)計(jì)工況與11種非設(shè)計(jì)工況。

2 轉(zhuǎn)輪的優(yōu)化改型

2.1 葉片的水力特性優(yōu)化

利用BladeGen對(duì)翼型的結(jié)構(gòu)控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，主要是采用改變翼型的包角、厚度和安放角。調(diào)整過(guò)程中需要綜合考慮翼型壓力分布曲線、流場(chǎng)分布等因素，沿著翼型的壓力分布決定了葉片的能量與汽蝕性能，基于CFD計(jì)算結(jié)果不斷優(yōu)化葉片，使性能不斷提高，通過(guò)多次調(diào)整、計(jì)算、分析，直到達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖4與圖5為轉(zhuǎn)輪優(yōu)化前后，設(shè)計(jì)工況下翼型壓力分布曲線的對(duì)比。從圖4可知優(yōu)化前葉片翼型尾部壓力分布曲線出現(xiàn)交叉，該問(wèn)題是由于翼型骨線安放角不合理或是卡門(mén)渦列造成的，這對(duì)能量轉(zhuǎn)換非常不利并可能造成葉片的振動(dòng);葉展95%處沿翼型壓力分布曲線顯示出頭部基本沒(méi)有能量轉(zhuǎn)化的作用，尾部壓力下降很快，導(dǎo)致汽蝕性能變差，這是由于該處頭部翼型安放角較小和翼型加厚規(guī)律不良導(dǎo)致的。綜上可以預(yù)見(jiàn)這樣的葉片不會(huì)具備良好的性能。圖5為優(yōu)化后沿翼型的壓力分布，葉片翼型壓力分布較優(yōu)化前得到了很大改善，雖然靠近下環(huán)處背面的壓力較低，但可以保持在安全范圍內(nèi)，不容易發(fā)生汽蝕，可預(yù)見(jiàn)優(yōu)化后的轉(zhuǎn)輪具有較好的水力性能。

2.2 葉片的適應(yīng)性計(jì)算

水輪機(jī)不僅在設(shè)計(jì)工況下具有較好的性能，在非設(shè)計(jì)工況下也需具有較好的性能，即葉片應(yīng)具有較好的適應(yīng)性。特別是在大流量區(qū)，由于葉片進(jìn)口具有負(fù)沖角，將引起性能的快速下降，因此在設(shè)計(jì)工況下，應(yīng)使葉片進(jìn)口水流具有一定的正沖角，并將葉片頭部做成圓形，提高對(duì)非設(shè)計(jì)工況的適應(yīng)性。對(duì)不同導(dǎo)葉開(kāi)度進(jìn)行CFD計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果再對(duì)翼型的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，提高水輪機(jī)工作范圍內(nèi)的整體性能。

圖6為活動(dòng)導(dǎo)葉開(kāi)度為12.41 mm時(shí)，葉片優(yōu)化前后葉道流場(chǎng)形態(tài)的對(duì)比。圖6（a1）、（b1）分別為優(yōu)化前的中間流面葉道流速分布與三維流線圖，從圖中可知優(yōu)化前葉片進(jìn)口水流有負(fù)沖角，三維流線顯示出葉柵中存在明顯的渦流，這可能會(huì)導(dǎo)致葉片的振動(dòng)和汽蝕，說(shuō)明優(yōu)化前轉(zhuǎn)輪對(duì)于大開(kāi)度工況適應(yīng)性不好，水力特性較差。圖6（a2）、（b2）顯示出優(yōu)化后的轉(zhuǎn)輪在大開(kāi)度工況下流場(chǎng)形態(tài)良好，流速分布和三維流線顯示出較好的水力特性，說(shuō)明優(yōu)化后轉(zhuǎn)輪有較好的適應(yīng)性。

3 水輪機(jī)的性能計(jì)算

3.1 能量性能計(jì)算

采用優(yōu)化后的轉(zhuǎn)輪，取不同開(kāi)度計(jì)算了水輪機(jī)12種工況下的能量特性參數(shù)，選取具有代表性的4個(gè)工況的計(jì)算結(jié)果列于表2。

由表2可知，設(shè)計(jì)工況下轉(zhuǎn)輪的能量性能最好，并且在設(shè)計(jì)工況附近轉(zhuǎn)輪具有較高的適應(yīng)能力，但當(dāng)開(kāi)度達(dá)到14.5 mm時(shí)，效率呈現(xiàn)明顯降低，這是由于水流開(kāi)始具有負(fù)沖角引起的，因此轉(zhuǎn)輪需要在出力限制線以內(nèi)工作。

3.2 轉(zhuǎn)輪葉片的模態(tài)計(jì)算

這里對(duì)優(yōu)化后的葉片進(jìn)行了模態(tài)計(jì)算分析［8］，如圖7所示，將前6階固有頻率列于表3。

由于過(guò)流部件的水力不平衡力與其它激振力會(huì)導(dǎo)致葉片振動(dòng)，如果與葉片的固有頻率相同即可導(dǎo)致共振，將會(huì)造成破壞，在運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)該避開(kāi)共振頻率。綜上可知，優(yōu)化后的轉(zhuǎn)輪能量特性較好，流場(chǎng)與葉片表面壓力分布合理，對(duì)不同開(kāi)度的適應(yīng)性較好，轉(zhuǎn)輪的整體性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

表2 不同開(kāi)度下水輪機(jī)的出力與效率Tab.2 The output and efficiency of the turbine under different opening

表3 葉片前6階模態(tài)表Tib.3 The first six modes of bade

4 結(jié)論

1）優(yōu)化后的轉(zhuǎn)輪比使用二元理論設(shè)計(jì)出的轉(zhuǎn)輪整體性能有明顯提高，對(duì)型譜中適用于該水頭段的水輪機(jī)起到了補(bǔ)充作用。

2）基于BladeGen參數(shù)化的設(shè)計(jì)方法具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值，利用葉片各部分參數(shù)化控制曲線可方便地對(duì)轉(zhuǎn)輪的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，快速實(shí)現(xiàn)葉片改型。BladeGen與TurboGrid的結(jié)合能快速劃分較高質(zhì)量的六面體網(wǎng)格，大大縮短了整個(gè)轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)分析周期，提高了工作效率。

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