水泵水輪機蝸殼設計

卜新魁

摘 要：本文簡要介紹了水輪機蝸殼蛋形設計技術，并對蝸殼進行流體力學分析和數值模型研究。其間基于三維建模軟件SolidWorks搭建了某款水輪機蝸殼的三維實體模型，并基于網格劃分工具對其進行合理的網格劃分，為后續蝸殼穩定性能的研究奠定基礎。

關鍵詞：水輪機;蝸殼;數值模型

中圖分類號：TV734.1文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）32-0039-03

Abstract： This paper briefly introduced the egg-shaped design technology of the turbine volute， and conducted hydrodynamic analysis and numerical model research on the volute. In the meantime， a three-dimensional solid model of a certain turbine volute was built based on the three-dimensional modeling software SolidWorks， and a reasonable meshing was performed on it based on a meshing tool， laying a foundation for the subsequent study of the stability of the volute.

Keywords： water turbine;volute case;numerical model

在國家經濟發展與人們日常生活中，能源扮演著至關重要的角色，占據著不可替代的位置。工業革命至今，世界各國人口基數快速增長，科學技術與經濟發展飛速前進，人們的生活水平也不斷提高。因此，社會發展對能源的需求量呈現出指數增長的趨勢。社會的快速發展及科學技術的不斷進步，離不開環境能源的持續性供應。傳統的化石能源被大力開采，造成化石能源資源緊缺，21世紀以來，國家開始了對清潔可再生能源的開發，尋求可替代化石能源的清潔能源，以緩解能源危機與環境問題。

1 概述

水電是一種清潔能源，水力發電的出現對我國電力行業的發展起到重要的緩解作用。20世紀90年代初至2010年，我國水利水電工程建設事業進入了黃金時期。我國先后建成數座世界級巨型水電站，水電裝機容量顯著提升。

近年來，隨著水利工程的快速建設，水存量大的河流湖泊已經基本開發完畢。隨著經濟的發展，小型水電站的開發火熱進行，能夠滿足當地企業和居民的用電需求。小型水電站的水容量較小，隨著季節的變化，水庫水位不斷變化，穩定性不強。在水庫水頭、水流量和水輪機轉速固定的情況下，水輪機才會出現最優的工作環境，此時，其運行效率達到最高。因此，水頭的狀態與轉速對水輪機最高效率有直接影響。傳統的水輪機組轉速與電網頻率同步且無法進行實時調節，而且無法長時間在最優工況下工作;采用全功率變流器組件驅動的水輪機組，可以實現轉速調節，獲得最高的工作效率，提高水能利用效率。在應對電力系統負荷變化工況時，傳統的水輪機組對輸入功率的調節能力較弱，難以實現快速反應和調節，無法滿足電網快速、精確地調節電力系統頻率的要求。

水輪機組的穩定性能是水電站正常運行的關鍵因素，特別是高水頭水電站的水輪機組，其蝸殼強度及穩定性能更是決定水泵穩定運行的根本[1-3]。本文對市場上的可逆水輪機蝸殼進行設計研究時發現，其設計方法與實際工況對水泵性能的多樣化要求相比，存在或多或少的問題。

因此，本文為解決水輪機運行工況條件下蝸殼對水輪機與水泵的兼容問題，依據傳統水輪機蝸殼的設計方法，提出運用蛋形耐壓蝸殼的仿生技術進行蝸殼設計。

2 蛋殼仿生技術

本文基于蛋形耐壓蝸殼仿生技術對某款高水頭水輪機蝸殼截面進行三維設計與數值分析，并搭建了按照水泵設計蝸殼、按水輪機設計蝸殼以及D型耐壓水輪機蝸殼三種方法設計的蝸殼截面三維實體模型[4-5]。其間基于CFD仿真工具Hypermesh軟件對水輪機部件的三維模型進行結構化網格劃分，對比三種設計方法，以尋找適合水輪機蝸殼設計的合理方案。

2.1 控制方程

本文研究水輪機蝸殼在工作條件下的穩定性能，涉及復雜的流體動力學問題。由于流體機械內流動特點及流場特性的多樣化，本文基于國內外流體動力學研究所普遍采用的計算流體力學技術，以計算機技術為基本，對水輪機蝸殼設計所需的動力學方程進行數值模擬與分析。質量守恒方程為：

式中，[v]為黏性系數;[fx]為[x]軸方向的雷諾平均速度分量，m/s;[fy]為[y]軸方向的雷諾平均速度分量，m/s;[fz]為[z]軸方向的雷諾平均速度分量，m/s。

2.2 水輪機蝸殼建模

本文基于SolidWorks三維建模軟件，建立了水輪機內過流部件的三維實體模型，并采用CFD仿真工具Hypermesh軟件進行了網格劃分。首先繪制水輪機蝸殼截面草圖，以此形成蝸殼各個斷面的型線，然后以斷面型線為基礎，構造蝸殼三維實體模型。蝸殼三維幾何模型如圖1所示。

根據某款水輪機組的設計參數對該水輪機蝸殼尺寸進行計算，水輪機數值計算模型與水輪機蝸殼網格示意圖如圖2、圖3所示。

3 結論

在不同工況條件下，水輪機運行時對蝸殼的性能要求不同。本文對蝸殼進行三維建模并進行了合理的網格劃分，為研究水輪機蝸殼在不同工況下的穩定性能及耐久性奠定基礎，并提出了基于蛋形耐壓蝸殼仿生技術的D型蝸殼設計方法。

參考文獻：

[1]廖偉麗，李建中.水輪機蝸殼內流動的數值研究[J].西安理工大學學報，2002（1）：5-9.

[2]陽芳.大型水電站水輪機蝸殼結構研究[D].武漢：武漢大學，2004：22-23.

[3]曹樹良，許國.水輪機蝸殼和固定導葉內部三維紊流流場數值研究[J].工程熱物理學報，1998（5）：586-589.

[4]辛喆，張蘭金，常近時.混流式水輪機蝸殼與座環三維中湍流場的數值模擬[J].水動力學研究與進展，2004（6）：713-718.

[5]李澤，張小艷，張立翔，等.基于流固耦合方法的水輪機蝸殼結構振動及損傷機理研究[C]//南方計算力學學術交流會.2013.