軸流式水輪機(jī)葉片幾何形狀的研究

0軸流式水輪機(jī)運(yùn)行特性在葉片設(shè)計(jì)的初始階段，葉片的離開(kāi)水面在同一軸的截面上，并且根據(jù)翼的長(zhǎng)度和位置，葉片在進(jìn)入水面上。這種形式的葉片進(jìn)出水邊使得水輪機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中存在很大的缺陷,如:空蝕性能較差,葉片容易產(chǎn)生裂紋和斷裂等。近年來(lái),計(jì)算流體力學(xué)和計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展以及CFD(computationalfluiddynamics)在水輪機(jī)水力設(shè)計(jì)中的應(yīng)用使得能夠準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)水力機(jī)組內(nèi)部的流動(dòng)狀態(tài),隨之也出現(xiàn)了多種水輪機(jī)優(yōu)化方法以及性能預(yù)測(cè)方法,并能夠準(zhǔn)確的對(duì)水輪機(jī)的空化磨損及運(yùn)行壽命進(jìn)行預(yù)估。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)軸流式水輪機(jī)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的問(wèn)題也做了大量的研究。如提出新的軸流式水輪機(jī)各過(guò)流部件的改進(jìn)方法;軸流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪內(nèi)間隙空化的主要形式和產(chǎn)生機(jī)理的研究等。在對(duì)軸流式水輪機(jī)內(nèi)部基本流動(dòng)特性進(jìn)行研究的同時(shí),很多學(xué)者也致力于葉片幾何參數(shù)對(duì)水輪機(jī)性能的影響的研究。TCVu等人采用CFD技術(shù)首先對(duì)含有6個(gè)不同葉片軸流式轉(zhuǎn)輪進(jìn)行研究,并與采用其幾何平均葉片的水輪機(jī)進(jìn)行對(duì)比,得出了不同葉片對(duì)其運(yùn)行范圍的影響。JNicolle等人采用CFD對(duì)水輪機(jī)葉片制造或現(xiàn)場(chǎng)打磨過(guò)程中可能出現(xiàn)的微小差異進(jìn)行分析,以研究翼型的微小差異對(duì)水輪機(jī)運(yùn)行性能的影響。東方電機(jī)廠趙永智對(duì)葛洲壩水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪最優(yōu)工況、額定工況的主要內(nèi)部流動(dòng)特性進(jìn)行分析,并找出原有轉(zhuǎn)輪的設(shè)計(jì)缺陷,并據(jù)此對(duì)原轉(zhuǎn)輪葉片的局部幾何型線進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。由上述可知,軸流式水輪機(jī)葉片幾何形狀的差異對(duì)水輪機(jī)的運(yùn)行性能將產(chǎn)生很大的影響,需對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)的研究。因此,本文在相同的葉片安放角的情況下,采用3種不同的葉片進(jìn)水邊形狀,研究不同的葉片進(jìn)水邊形狀與水輪機(jī)運(yùn)行參數(shù)、性能參數(shù)之間的關(guān)系。1幾何模型和計(jì)算域1.1輪機(jī)葉片形狀以及進(jìn)水位置的確定隨著水輪機(jī)設(shè)計(jì)方法的日漸成熟以及對(duì)其內(nèi)部流動(dòng)特性的準(zhǔn)確了解,軸流式水輪機(jī)葉片形狀以及進(jìn)出水邊位置的確定也有了很大的改進(jìn)。如圖1所示,葉片進(jìn)出水邊形狀由原來(lái)的直線型逐漸演變?yōu)楝F(xiàn)在的曲線型,水輪機(jī)葉片形狀也由扇形演變?yōu)楝F(xiàn)在的空間扭曲型,這使得軸流式水輪機(jī)的運(yùn)行性能也有很大的改善。1.2軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)葉片進(jìn)水邊形狀的影響本文以某模型軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)為研究對(duì)象,并進(jìn)行包含蝸殼、活動(dòng)導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪、尾水管在內(nèi)的整機(jī)聯(lián)合數(shù)值計(jì)算,其中固定導(dǎo)葉12個(gè)、活動(dòng)導(dǎo)葉24個(gè)、轉(zhuǎn)輪葉片5個(gè),計(jì)算域如圖2所示。在其余過(guò)流部件相同的情況下,分別對(duì)3種不同的葉片進(jìn)水邊形狀(如圖3所示)的轉(zhuǎn)輪進(jìn)行數(shù)值研究,以研究軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)葉片進(jìn)水邊形狀對(duì)水輪機(jī)性能的影響。為消除其余因素對(duì)研究結(jié)果的影響,對(duì)于同一葉片采用三種不同的葉片進(jìn)水邊形狀。由圖3a可以看出,3種方案中,方案1葉片進(jìn)水邊半徑R由輪轂到轉(zhuǎn)輪室呈遞減趨勢(shì);方案2和方案3相對(duì)于方案1,葉片進(jìn)水邊靠處轉(zhuǎn)輪室處R增大,而靠輪轂處下移,即R減小;方案2和方案3葉片進(jìn)水邊靠轉(zhuǎn)輪室處位置相同,但靠輪轂處,方案2位置低于方案3,其不同葉片型線示意圖如圖3b。2數(shù)學(xué)模型與邊界條件2.1網(wǎng)格劃分及計(jì)算分析軸流式水輪機(jī)內(nèi)部流動(dòng)是以水為介質(zhì)的、復(fù)雜的三維流動(dòng),可以視為不可壓縮流動(dòng)。本文首先采用四面體網(wǎng)格對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。同時(shí)基于Navier-Stoke(N-S)方程,應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型進(jìn)行計(jì)算和分析。N-S方程的描述:動(dòng)量守恒其中:p為壓強(qiáng),Pa;ρ為密度,kg/m3,Sij為附加源項(xiàng)。2.2確定相對(duì)壓力和邊界條件本文以蝸殼進(jìn)口作為計(jì)算域的進(jìn)口,尾水管出口為計(jì)算域出口。具體的邊界條件給定如下:進(jìn)口給定質(zhì)量流量,并假設(shè)速度方向垂直于蝸殼進(jìn)口面;出口給定相對(duì)壓力;假設(shè)壁面無(wú)滑移,靠近壁面區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法進(jìn)行處理;靜止和轉(zhuǎn)動(dòng)部分采用動(dòng)靜干涉面。3結(jié)果與分析3.1葉片壓力分布葉片表面壓力分布可直接反映其能量性能及空化性能。對(duì)于軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī),其空化部位一般分布在轉(zhuǎn)輪葉片正背面輪緣頭部、轉(zhuǎn)輪室、葉片外緣、葉片背面下部偏向出水邊和輪轂體等局部。圖4為不同葉片進(jìn)水邊在不同工況下,葉片正背面壓力分布。由圖可以看出,在3種方案時(shí),方案1由于葉片進(jìn)水邊靠近輪轂處R值要大于靠轉(zhuǎn)輪室處,有將水流導(dǎo)向轉(zhuǎn)輪室的趨勢(shì),同時(shí)水流在離心力的作用下也被甩向輪緣部分,因而在葉片背面進(jìn)水邊靠近輪緣處的相應(yīng)部位因大量繞流而存在低壓區(qū),使該處易發(fā)生空化。同時(shí),在葉片正面靠近出水邊部位,其壓力值也相對(duì)較低,這將導(dǎo)致在此部位發(fā)生空化空蝕,縮短轉(zhuǎn)輪壽命。方案2和方案3,相對(duì)于方案1在葉片進(jìn)水邊靠近輪緣處的上移,有將水流導(dǎo)向輪轂方向的趨勢(shì),因而能夠很好的縮小葉片進(jìn)水邊背面的低壓區(qū)以及改善葉片正面進(jìn)水邊附近的水流撞擊,明顯提高了葉片最低壓力值。同時(shí)方案2和方案3轉(zhuǎn)輪葉片正背面的壓力分布較方案1更加均勻,這將有利于葉片空化性能的改善。3.2葉片進(jìn)采用汽化壓力基準(zhǔn),以達(dá)到也非預(yù)壓斷面的方案2水流繞流葉片時(shí)速度增加,壓力降低,當(dāng)水流壓力降低到該溫度下的汽化壓力時(shí),就會(huì)產(chǎn)生空蝕。因此本文在研究不同葉片進(jìn)水邊形狀對(duì)轉(zhuǎn)輪內(nèi)部易空蝕部及空蝕面積的影響時(shí),以水的汽化壓力為基準(zhǔn),取不同葉片進(jìn)水邊形狀的情況下轉(zhuǎn)輪內(nèi)部的等壓面,來(lái)近似預(yù)估轉(zhuǎn)輪內(nèi)的空蝕情況。圖5所示為不同葉片進(jìn)水邊形狀時(shí)轉(zhuǎn)輪內(nèi)空蝕部位分布,3種方案時(shí)轉(zhuǎn)輪內(nèi)的易空化部位均分布在葉片背面。方案2和方案3能夠使得轉(zhuǎn)輪內(nèi)的低壓區(qū)面積明顯減小,且消除了方案1時(shí)葉片進(jìn)出水邊的低壓空化區(qū)域。方案3相對(duì)于方案2,不僅使轉(zhuǎn)輪內(nèi)的總空化區(qū)域面積有所減小,同時(shí)在葉片背面靠輪轂處的低壓區(qū)也基本消除,很好的改善了葉片的空化性能。3.3不同工況下葉片的流量分配水輪機(jī)葉片進(jìn)出水邊的形狀差異不僅影響水輪機(jī)的過(guò)流能力和空化性能,而且影響轉(zhuǎn)輪內(nèi)部從輪轂到轉(zhuǎn)輪室的流量分配。本文為研究葉片進(jìn)水邊對(duì)轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流量分配的影響,將轉(zhuǎn)輪中間截面從輪轂到輪緣分為5個(gè)環(huán)面,如圖6所示,通過(guò)統(tǒng)計(jì)各個(gè)環(huán)面的流量來(lái)進(jìn)行分析。表1為不同工況時(shí),不同葉片進(jìn)水邊形狀的轉(zhuǎn)輪在其中間截面的相對(duì)流量,由表可以看出,水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪內(nèi)的流量分配主要集中在靠轉(zhuǎn)輪室附近,且流量越小,流道內(nèi)的流量分配越不均勻。在小流量工況,導(dǎo)葉開(kāi)度和轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速均較小時(shí),以葉片進(jìn)水邊分配流量為主導(dǎo),葉片進(jìn)水邊靠輪緣處的上移和輪轂處的下移,有將水流導(dǎo)向輪轂部分的趨勢(shì),因此相對(duì)于方案1,方案2和方案3流道內(nèi)由輪轂到轉(zhuǎn)輪室的流量分配也趨于均勻。在流量較大的工況下,轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)對(duì)水流產(chǎn)生的離心力較大,均衡了由葉片進(jìn)水邊形狀的不同對(duì)水流分配的均衡作用,使水流更多的被甩向轉(zhuǎn)輪室,且隨著流量的逐漸增大,這種趨勢(shì)越明顯。3.4葉片進(jìn)采用不同形狀的葉片邊界環(huán)量分布軸流式水輪機(jī)中,由于水流從導(dǎo)葉出口到轉(zhuǎn)輪進(jìn)口這段流道中不受任何外力矩的作用,水流作等速度矩運(yùn)動(dòng)。因此根據(jù)環(huán)量計(jì)算公式:C=2πCuR(Cu為絕對(duì)速度的周向分量(m/s);R為半徑(m),即計(jì)算點(diǎn)與轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)軸之間的距離半徑),沿轉(zhuǎn)輪進(jìn)口環(huán)量從輪轂向輪緣隨半徑的增加逐漸的增加。圖7給出了進(jìn)出口曲線的位置以及3種方案葉片進(jìn)出口環(huán)量分布:由圖可以看出,葉片進(jìn)水邊環(huán)量由輪轂到輪緣逐漸增加,方案1中環(huán)量的增加梯度均大于其他2種。3種不同形狀的葉片進(jìn)水邊對(duì)輪緣處環(huán)量分布影響較大。葉片進(jìn)水邊靠輪緣處位置越高,其環(huán)量越小。進(jìn)水邊形狀的不同對(duì)出水邊的環(huán)量分布影響較小。3.5發(fā)電機(jī)的空化系數(shù)圖8為3種方案時(shí)水輪機(jī)的效率曲線及空化系數(shù)。從圖8可以看出,方案2和方案3相對(duì)于方案1在葉片進(jìn)水邊靠輪轂處的下移以及靠輪緣處的上移,使得水輪機(jī)的運(yùn)行范圍向小流量方向移動(dòng),而且從小流量到最優(yōu)點(diǎn)的效率也均有所提高。同時(shí),從空化系數(shù)曲線可以看出,方案2和方案3相對(duì)于方案1對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)水邊形狀的修改,能夠很好的降低空化系數(shù),改善水輪機(jī)的空化性能;而方案3相對(duì)于方案2在葉片進(jìn)水邊靠輪轂處的位置的上升,也使其空化性能得到了很好的改善。4軸流式織物運(yùn)行結(jié)果分析本文采用數(shù)值研究的方法對(duì)具有3種不同形狀的軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)葉片進(jìn)行深入的研究,并對(duì)不同葉片進(jìn)水邊形狀對(duì)水輪機(jī)性能的影響進(jìn)行分析,主要結(jié)論如下:1)葉片進(jìn)水邊靠近輪緣處的上移以及靠輪轂處的下移,能夠很好的改善葉片正背面壓力分布,同時(shí)減小了葉片出水邊及進(jìn)水邊靠輪轂處的低壓區(qū),提高葉片最低壓力點(diǎn)壓力,進(jìn)而提高了水輪機(jī)的空化性能。2)小流量工況時(shí),葉片進(jìn)水邊靠輪緣處的上移和輪轂處的下移,在有將水流導(dǎo)向輪轂部分的趨勢(shì);而流量較大時(shí),這種趨勢(shì)逐漸減弱。3)葉片進(jìn)水邊的形