CFD和FEA在混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片局部改型中的應(yīng)用

高健　劉曉娟

摘要：國(guó)內(nèi)外大型水輪機(jī)企業(yè)都有雄厚的技術(shù)實(shí)力，各個(gè)水頭斷均有優(yōu)秀的轉(zhuǎn)輪。但是每一個(gè)電站的水文特性不盡相同，轉(zhuǎn)輪在一般情況下不能直接套用。針對(duì)部分直接套用后的轉(zhuǎn)輪，出現(xiàn)能量特性、空蝕性能、水利穩(wěn)定性下降的情況，從轉(zhuǎn)輪優(yōu)化改型安全性和成本控制考慮，利用CFD和FEA技術(shù)對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)行局部?jī)?yōu)化，是一種比較經(jīng)濟(jì)和安全的設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：CFD;有限元分析;剛強(qiáng)度;混流式水輪機(jī)

一、前言

五一橋水電站HLA575C轉(zhuǎn)輪，為上個(gè)世紀(jì)90年代研制的老型號(hào)轉(zhuǎn)輪。由于該轉(zhuǎn)輪在五一橋水電站投運(yùn)之初，并未經(jīng)流場(chǎng)分析與轉(zhuǎn)輪剛強(qiáng)度計(jì)算，轉(zhuǎn)輪不可避免地在水力設(shè)計(jì)上存在一些缺陷，導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪在運(yùn)行之中出現(xiàn)過(guò)多次葉片裂紋和脫塊現(xiàn)象。鑒于此，五一橋公司通過(guò)CFD技術(shù)，結(jié)合有限元分析，對(duì)HLA575C轉(zhuǎn)輪及通流部件的內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)輪剛強(qiáng)度、轉(zhuǎn)輪動(dòng)力特性進(jìn)行計(jì)算，提出了轉(zhuǎn)輪葉片局部改型的優(yōu)化方案。既在原轉(zhuǎn)輪木模圖基礎(chǔ)上，保持轉(zhuǎn)輪葉片主體型線不變，并結(jié)合CFD技術(shù)對(duì)轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，將轉(zhuǎn)輪葉片做局部增厚和葉片出水邊三角區(qū)適當(dāng)延長(zhǎng);同時(shí)利用有限元分析技術(shù)，驗(yàn)算改型后的轉(zhuǎn)輪剛強(qiáng)度與動(dòng)力特性是否滿足設(shè)計(jì)要求，以提高轉(zhuǎn)輪的性能指標(biāo)。

二、轉(zhuǎn)輪CFD流動(dòng)分析

2.1葉片增厚方案

HLA575C轉(zhuǎn)輪葉型改造基于原型號(hào)木模圖進(jìn)行，葉片主體形線沒(méi)有改變，僅是進(jìn)行了局部強(qiáng)化處理。葉型強(qiáng)化主要對(duì)葉片正面后1/3部分進(jìn)行了增厚處理，并對(duì)頭部背面進(jìn)行了局部加厚，最大增厚約4mm～6mm。

2.2三角塊增強(qiáng)工藝

理論及實(shí)踐證明，轉(zhuǎn)輪出口加裝三角塊，對(duì)消除上冠下環(huán)三角區(qū)應(yīng)力集中有顯著作用。該工藝方案能夠有效增強(qiáng)葉片強(qiáng)度，抵抗轉(zhuǎn)輪出口渦帶擺動(dòng)帶來(lái)的動(dòng)應(yīng)力，大幅減少葉片發(fā)生裂紋的幾率。五一橋水電站HLA575C轉(zhuǎn)輪三角塊厚度由原來(lái)出水邊理論厚度7mm增加到14mm左右，三角塊沿流線方向長(zhǎng)30mm，寬50mm。

2.3計(jì)算工況點(diǎn)及方法

HLA575C轉(zhuǎn)輪的模型綜合特性曲線，最優(yōu)工況點(diǎn)單位轉(zhuǎn)速n11≈67.2r/min，單位流量Q11≈470L/s。五一橋轉(zhuǎn)輪改型方案僅是加強(qiáng)處理，沒(méi)有翼型優(yōu)化，要維持其原有水力性能，只需要校核其最優(yōu)工況轉(zhuǎn)輪出口流速分布、內(nèi)流態(tài)、葉片表面壓力分布、負(fù)荷分布等維持原有規(guī)律即可。

HLA575C轉(zhuǎn)輪仿真計(jì)算采用的是單通道水力模型相對(duì)比較方法，即在同樣的導(dǎo)葉開度下，通過(guò)給定總壓進(jìn)口、均壓出口和最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速時(shí)水輪機(jī)轉(zhuǎn)速，求解最優(yōu)單位流量，通過(guò)流量、效率、壓力、環(huán)量等特征參數(shù)相對(duì)比較，即可判斷葉型局部加厚后，設(shè)計(jì)工況有無(wú)漂移，水力特性有無(wú)變化。

2.4仿真計(jì)算

（1）定量結(jié)果

表1為定量計(jì)算結(jié)果。可以看出，在同一導(dǎo)葉開度下同一單位轉(zhuǎn)速67.2r/min，改造轉(zhuǎn)輪單位流量比原轉(zhuǎn)輪小0.44L/s，相對(duì)效率低0.01%，這一結(jié)果符合預(yù)期，是葉片局部增厚后過(guò)流能力減小，摩擦阻力增大的正常結(jié)果。

（2）轉(zhuǎn)輪出口流速分布

圖1為轉(zhuǎn)輪出口流速分布。可以看出，改造前后轉(zhuǎn)輪出口環(huán)量（綠色）分布基本一致，且改造后出口軸向流速（紅色）更為均勻。說(shuō)明轉(zhuǎn)輪的出口流態(tài)沒(méi)有大的變化，且有向好趨勢(shì)，尾水管能量回收、葉片進(jìn)口背面壓力分布、葉片表面的局部脫流都會(huì)比原來(lái)更好。

（3）葉片負(fù)荷曲線

圖2為轉(zhuǎn)輪葉片負(fù)荷分布。可以看出，改造前后負(fù)荷分布規(guī)律基本一致，且葉片頭部背面增厚后，減緩了葉片頭部背面壓力突變，減小了強(qiáng)沖擊，更有助于高水頭葉片的穩(wěn)定性。

（4）葉片壓力分布

圖3為轉(zhuǎn)輪葉片表面壓力分布。可以看出，改造前后轉(zhuǎn)輪葉片正背面壓力分布基本一致，且葉片光滑處理后壓力梯度更均勻，有助于內(nèi)部穩(wěn)定做功。

（5）轉(zhuǎn)輪內(nèi)流場(chǎng)

圖4為轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流場(chǎng)。可以看出，改造前后轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流線分布幾乎完全一致，說(shuō)明轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流場(chǎng)沒(méi)有變化，轉(zhuǎn)輪改造前后的水力特性應(yīng)該基本一致。

通過(guò)定量計(jì)算和校核工況計(jì)算，局部加厚和三角區(qū)適當(dāng)延長(zhǎng)前后，轉(zhuǎn)輪的過(guò)流能力和效率沒(méi)有明顯變化。圖1～圖4對(duì)比可以看出，在最優(yōu)工況增厚前后，轉(zhuǎn)輪出口流速分布、葉片壓力分布、負(fù)荷曲線、內(nèi)部流場(chǎng)都沒(méi)有明顯變化。因此，葉片增厚方案不會(huì)對(duì)原轉(zhuǎn)輪的水力特性帶來(lái)有害影響，原模型綜合特性不會(huì)發(fā)生較大變化。

三、轉(zhuǎn)輪改型剛強(qiáng)度分析

3.1計(jì)算工況及載荷

五一橋轉(zhuǎn)輪改型通過(guò)有限元法，借用ANSYS分析程序，對(duì)轉(zhuǎn)輪的剛強(qiáng)度及動(dòng)力特性進(jìn)行了計(jì)算與分析，計(jì)算工況點(diǎn)包括：飛逸工況、額定水頭工況、最大水頭工況。載荷條件包括離心載荷、重力載荷和壓力載荷。

3.2計(jì)算模型及邊界條件

五一橋轉(zhuǎn)輪計(jì)算模型，采用的整體轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)。有限元分析中，采用ANSYS三維實(shí)體單元 （SOLID186） 對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散，通過(guò)接口程序建立由水力設(shè)計(jì)提供的水壓力數(shù)據(jù)。邊界條件按實(shí)際情況對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行邊界處理。

3.3應(yīng)力考核標(biāo)準(zhǔn)及分析結(jié)論

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，轉(zhuǎn)輪在預(yù)期的最大荷載條件下正常運(yùn)行時(shí)，各部位最大應(yīng)力未超過(guò)材料屈服極限的1/5 （ 116MPa ）;在最高飛逸轉(zhuǎn)速時(shí)，最大應(yīng)力未超過(guò)材料屈服極限的2/5 （ 232MPa ） ，證明五一橋改型轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求。

四、轉(zhuǎn)輪改型動(dòng)力特性計(jì)算

五一橋轉(zhuǎn)輪改型采用流固耦合的方法對(duì)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行水下固有頻率分析。轉(zhuǎn)輪上冠與主軸把合面進(jìn)行全自由度固定約束，結(jié)構(gòu)與水體接觸面設(shè)置流固耦合邊界條件。

轉(zhuǎn)輪水下主要固有頻率計(jì)算結(jié)果、振型情況，與機(jī)組可能的激振頻率對(duì)比，其結(jié)構(gòu)均避開了激振源頻率，具有良好的動(dòng)力特性，不會(huì)產(chǎn)生共振。

五、結(jié)語(yǔ)

五一橋水電站HLA575C轉(zhuǎn)輪自投運(yùn)以來(lái)，一直存在葉片進(jìn)水邊氣蝕、出水邊頻發(fā)裂紋和脫塊的現(xiàn)象。通過(guò)CFD和FEA技術(shù)，采用較為保守的葉片局部改型方案，成功解決了上述問(wèn)題。并在機(jī)組運(yùn)行中，實(shí)際檢驗(yàn)了機(jī)組振動(dòng)情況較改造前得到提升，轉(zhuǎn)輪出力和機(jī)組效率未發(fā)生下降，轉(zhuǎn)輪也未再出現(xiàn)裂紋。說(shuō)明葉片局部增厚和加裝三角塊工藝，在保持原有水力特性的基礎(chǔ)上，可以有效增強(qiáng)原轉(zhuǎn)輪的剛強(qiáng)度，能夠防治葉片掉塊等原發(fā)性問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

[1] 中國(guó)電力出版社，《中國(guó)電力百科全書+水力發(fā)電卷》[G]，水電站機(jī)電部分，水輪機(jī)部件。