導葉對液力透平機組工作穩定性的影響

史廣泰 楊軍虎 劉小兵 劉洋

摘要： 為了提高液力透平工作時的穩定性，降低機組的振動，在液力透平葉輪進口前添加不同數量的導葉，采用SST kω湍流模型，利用FLUENT軟件通過在各過流部件內設置監測點計算在不同導葉數下液力透平內的壓力和壓力脈動情況，然后通過快速傅里葉變換將壓力脈動的計算結果進行處理，分析液力透平各過流部件內壓力脈動的時域和頻域分布，最后總結導葉數對液力透平機組工作時穩定性的影響規律。研究表明：當導葉數等于9時蝸殼內的壓力脈動主頻幅值最小；隨著導葉數的增加，葉輪內的最大壓力脈動幅值逐漸減小，而導葉數對尾水管內壓力脈動幅值的影響較小；要提高液力透平機組的穩定性需降低液力透平內的壓力脈動幅值，而通過葉輪進口前添加導葉的方法可以很好地降低液力透平內的壓力脈動幅值，但導葉數不能太少也不能過多。關鍵詞： 導葉； 液力透平； 穩定性； 壓力脈動； 振動

中圖分類號： TH311； TK730文獻標志碼：A文章編號：10044523（2016）04060907

DOI：10.16385/j.cnki.issn.10044523.2016.04.007

引言

液力透平作為一種能量回收裝置，其葉輪在高壓液體的作用下旋轉，將液體所具有的能量部分轉化為液力透平的機械能，從而達到能量回收的目的[12]。但液力透平在工作過程中由于葉輪與蝸殼之間的動靜耦合導致液力透平內出現壓力脈動，這種壓力脈動會引起周期性的壓力波，這將導致液力透平各元件中出現周期性的振動和噪聲，降低液力透平機組工作時的穩定性[34]。

目前對液力透平的研究主要集中在液力透平的選型和高效設計方法兩方面，對于液力透平的選型，主要通過換算關系將泵工況換算為液力透平工況[56]；而對于液力透平的高效設計主要通過優化葉輪各幾何參數、優化葉片形狀、添加長短葉片以及改進葉片設計方法等[78]，還有對蝸殼截面形狀和幾何參數等的優化研究[9]。除了上述關于幾何參數和形狀的研究方法之外，文獻[10]還通過理論的方法對液力透平的性能進行了研究，提出了在考慮葉輪內滑移時液力透平的基本能量方程。當離心泵反轉用作液力透平時雖然能夠較好地回收能量，但機組運行并不穩定，為了解決液力透平運行時不穩定的問題，文獻[11]在液力透平葉輪進口前添加導葉，研究發現添加導葉后各流道間壓力分布更為對稱。可見，添加導葉的確可以改善液力透平運行時的穩定性。

由于壓力脈動也是引起液力透平機組工作時不穩定的因素之一，所以為了提高液力透平機組工作時的穩定性，本文通過在液力透平葉輪進口前添加不同數量的導葉來研究導葉數對液力透平內壓力脈動的影響，總結導葉數對液力透平機組穩定性的影響規律，從而為提高液力透平機組的穩定性提供理論參考。

Abstract： In order to enhance the stability of hydraulic turbine， and reduce the vibration of hydraulic turbine when it is working， this paper added a set of guide vanes at the impeller import of hydraulic turbine， set the monitoring points through ANSYSCFD software in the each flow passage components， and calculated the changes rule of pressure and pressure fluctuation within hydraulic turbine under the different guide vane numbers by using the turbulence model SST k-ω， transformed the calculation results of pressure fluctuation by FFT， analyzed the distribution of time domain and frequency domain within each flow passage components， finally， analyzed and summarized the results. The study found that the dominant frequency amplitude of pressure fluctuation is minimum in the volute when the guide vane numbers is equal to nine. With the increase of guide vane numbers， the greatest amplitude of pressure fluctuation is gradually decreased in the impeller， but the effect of the guide vane numbers on amplitude of pressure fluctuation is smaller in the draft tube. The method that a set of guide vanes are added to the impeller import of hydraulic turbine can good reduce amplitude of pressure fluctuation， enhance the stability of hydraulic turbine， but the guide vane numbers neither too much nor too little.

Key words： guide vane； hydraulic turbine； stability； pressure fluctuation； vibration