混流式水輪機優化設計方法的研究

張慧珍

【摘 要】為了確保混流式水輪機的各項性能指標良好。對混流式水輪機的優化設計方法進行了研究。從相似理論法、CFD分析法、優化設計法這3個方面進行了論述，提出了相似理論法設計的優點和不足之處、CFD分析法的必要性以及優化設計的方法和依據。為后續混流式水輪機優化設計，提供了參考依據。

【關鍵詞】混流式水輪機；優化設計方法；相似理論；CFD分析法

中圖分類號： TK733.1 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）20-0019-002

Study on Optimization Design Method of Francis Turbine

ZHANG Hui-zhen

（Sichuan water conservancy vocational and technical college， SiChuan ChengDu 611231）

【Abstract】In order to ensure the performance of Francis turbine is good. The optimal design method of Francis turbine is studied. This paper discusses the three aspects of similarity theory， CFD analysis and optimization design， and puts forward the advantages and disadvantages of similar theoretical design， the necessity of CFD analysis and the method and basis of optimization design. Which provides a reference for the optimal design of the mixed flow turbine.

【Key words】Francis turbine； Optimal design method； Similarity theory； CFD analysis method

混流式水輪機的合理設計，是確保機組運行時在效率、抗氣蝕性以及穩定性這3個方面具有良好的性能指標。由此可見，混流式水輪機的設計方法直接關系到機組的性能。因此，對設計方法的研究，具有良好的工程價值。

一直以來，人們對于水輪機的優化設計方法做了大量研究。例如，文獻[1]采用了對轉輪葉片割邊的方法，提升了機組的效率；文獻[2]對轉輪葉片修型，使轉輪流場的負壓區域減小，提高了機組的抗汽蝕性；文獻[3]設計了橢圓蝸殼，增大了轉輪的直徑，實現了水輪機增容改造的目標。基于上述研究可知，對于混流式水輪機的優化設計中，多數優化設計針對轉輪葉片進行的，由此可見，水輪機的運行特性，多是因為水力因素造成，而影響水力因素的關鍵則是轉輪（包括類型、直徑、材料等）。所以，本文針對水輪機的轉輪優化設計方法，進行了探討。

1 傳統設計方法的弊端

混流式水輪機傳統設計方法，是指按照水輪發電機設計手冊的要求，從機組選型、結構設計、強度校核、效率修正等方面進行全面計算和設計。理論上來講，傳統設計方法設計出的水輪機質量較高且各項參數的指標性能良好。但是，該設計方法目前的普及性并不高，原因在于其在一定的弊端：（1）設計周期長。該設計方法由于需要論證的方面多、計算量偏大致使設計和生產的周期非常長，故經濟效益不佳；（2）無法了解機組的內部流態。該設計方法側重于機組的強度性能，而流場方面的計算和論證較少。實際上水流流態對于機組的影響是非常重要的，而且比較復雜，不易用公式來精確描述，所以其內部流態的真實狀態如何，無法考證。綜上所述，對于混流式水輪機的優化設計而言，傳統的設計方法并不適用。因此，需要選擇其他的設計方法來實現。

2 相似理論設計法

從縮短機組設計周期的方面來看，目前許多大中型水電設備制造廠家采用的是相似理論設計法。因為水輪機屬于流體機械，內部的流程規律滿足相似理論，即同型普轉輪的機組，零部件形狀、尺寸、水流流速以及效率等參數均滿足幾何相似和動力相似規律。基于相似理論設計法的水輪機設計，是指在設計某水輪機時，根據機組所在的電站水頭、流量、含沙量等條件，選擇與之水紋條件類似的電站機組作為參考機組。且參考機組必須保持良好的運行指標，否則便不具備參考價值。然后，選擇與參考機組相同的轉輪類型，并確定直徑。最后按照幾何相似的準則對水輪機各個零部件進行等比縮放，完成機組的相似設計。例如，對某電站的某臺混流式水輪機進行設計時，選擇了另外一個相似水力條件的電站機組作為參考，并確定了該機組的轉輪類型。已知參考機組的轉輪直徑為2400mm，而擬設計機組的轉輪直徑為1800mm，故在設計時，擬設計的轉輪和參考轉輪的形狀、結構均完全相同，各個翼型截面的參數取值，均按照1800/2400的比例進行等比縮放。同時，其他過流部件（如蝸殼、尾水管、導水機構等）也按照該原則進行設計。從上述闡述可知，采用相似理論設計法，設計周期較短、設計效率高，但是由于兩個電站的水紋條件不可能完全相同，每個電站所處的位置均有自身的特征，所以相似理論設計出的轉輪不一定完全匹配電站的水文條件，依然存在設計出的機組性能不佳的問題。

3 CFD分析法

相似理論設計法雖然在一定程度上縮短了設計的周期，但是由于電站與電站之間的水紋條件不可能完全相同，所以采用幾何相似設計出的機組，難免會存在偏離最優工況、水流流態不佳等問題。傳統的驗證方法，是采取模型試驗，即按照設計出的水輪機等比制造一個小型的機組模型，然后在試驗臺進行水力性能驗證。但是該方法的弊端在于測試成本昂貴，且如果試驗結果不佳，需要對轉輪重新設計，還得繼續制造機組模型，進一步增加了成本。所以，采用CFD計算機仿真成為了主要的研究手段，它是相似理論設計后的下一個環節，即采用CFD分析手段對設計出的水輪機組進行內部流場仿真，提前預判機組的水力性能，并為后續的優化設計提供依據。該方法極大地節約了成本，可以將各設計方案在計算機中完成模型的構建便能夠操作。通常情況下，CFD分析的步驟包括邊界條件的設置、網格的劃分、湍流模型的選擇等。從目前的計算機技術而言，CFD分析具有較高的計算精度，且應用比較廣泛，是一種行之有效的研究手段。

4 優化設計方法

通常情況下，對于相似理論設計出的水輪機，其CFD分析結果往往不是最佳流態，所以需要對水輪機結構進行后續的優化設計。主要的優化設計方法有：（1）更換轉輪。將原方案轉輪進行更換，選擇更加適合該電站水紋條件的轉輪類型；（2）設計新轉輪葉片翼型。對原轉輪葉片的翼型進行調整，使得過流面更加光滑，減少漩渦、回流的發生；（3）增加尾水管支墩。對尾水管設計支墩，優化尾水管內部的流態，提高回能系數。按照上述方法完成優化設計之后，需要再對優化設計方案進行CFD分析，確定其流態已達到了更佳的效果。例如，某機組采用相似理論設計法完成機組的設計和建模后，采用CFD對其進行流態分析，結果發現，機組的效率不高、轉輪葉片過流面的負壓區域較大、轉輪出水邊存在明顯的渦帶等問題，則可以采用調整葉片翼型，讓各截面之間的過渡更加光滑，從而達到優化設計的效果，實現水力性能的進一步改善。

5 結論

在分析了設計方法對于水輪機運行效果的重要性之后，提出了相似理論法、CFD分析法以及優化設計相結合的設計方法。在預判水輪機內部流態性能的前提下，對結構進行改進。縮短設計周期的同時，達到了優化機組性能指標的目的。

【參考文獻】

[1]王旭，張佳芬，盧婧，等.水輪機轉輪葉片割邊改造的CFD與模型試驗分析[J].機械設計與制造，2017（1）：6-8.

[2]陳柱，秦波，桂亞琴.四川關州水電站水輪機結構設計[J].廣西水利水電，2013（6）：63-67.

[3]王旭，李萍，陳榮盛，等.水輪機橢圓蝸殼設計的CFD計算及試驗分析[J].人民黃河，2016，38（1）：109-111.endprint