轴流式水轮机转轮叶片参数与性能的关系研究

维普资讯 http://www.cqvip.com 水力发电　第３２卷第１２期　２００６年１２月　文章编号：０５５９—９３４２（２００６）１２—００４６—０３　轴流式水轮机转轮叶片参数与　性能ａｇ．ｊ－￣系研究　田锋社　（陕西工业职业技术学院，陕西成阳７１２０００）　关键词：轴流式水轮机转轮；叶片参数；性能；叶片轴线　摘　要：在总结大量试验数据和ＣＦＤ计算结果的基础上，探讨分析了叶片进、出水边曲线形状、叶片转轴及轴线位　置、叶片轮毂断面凸边、叶栅稠密度沿半径方向的分布等与转轮性能的关系规律，提出转轮设计时这些参数的选取　原则及方法。　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｏｌｌ　Ｒｅｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｂｌａｄｅ　Ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ａｎｄ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　Ｋａｐｌａｎ　Ｒｕｎｎｅｒ　Ｔｉａｎ　Ｆｅｎｇｓｈｅ　（Ｓｈａａｎｘｉ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ。Ｘｉａｎｙａｎｇ　Ｓｈａａｎｘｉ　７　１　２０００）　Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ：ｒｕｎｎｅｒ　ｏｆ　ｋａｐｌａｎ　ｔｕｒｂｉｎｅ；ｒｕｎｎｅｒ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ；ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ；ａｘｉｓ　ｏｆ　ｒｕｎｎｅｒ　ｂｌａｄｅ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｂａｓｅ　ｏｎ　ｔｈｅ￣ｕｎｄａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍａｓｓｉｖｅ　ｔｅｎｔａｔｉｖｅ　ｄａｔａ　ａｎｄ　ＣＦＤ　ｃｏｍｐｕｔｅｄ　ｒｅｓｕｌｔ．Ａｕｔｈｏｒ　ｍａｉｎｌｙ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｍｏｎｇ　ｒｕｎｎｅｒ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ａｎｄ　ｓｈａｐｅ　ｏｆ　ｏｕｔｌｅｔ　ｅｄｇｅ　ａｎｄ　ｉｎｌｅｔ　ｅｄｇｅ　ｏｆ　ｒｕｎｎｅｒ　ｂｌａｄｅ，ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｂｌａｄｅ　ｓｈａｎｋ，ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｂｌａｄｅ　ｌａｔｔｉｃｅ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ａｌｏｎｇ　ｔｈｅ　ｒａｄｉｕｓ，ａｎｄ　ｐｒｏｐｏｓｅｓ　ｔｈｅ　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ａｎｄ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｔｈｅｓｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　１Ｍｆｌｆｌｅｒ　ｄｅｓｉｇｎ．　中霜分类号：￣７３０；２；ＴＫ７３３３　文献标识码：Ａ　近年来．随着计算机技术的迅速发展及湍流流动研究的　不断深入，计算流体动力学（ＣＦＤ）技术在水轮机转轮水力设　计中得到了广泛的应用．ＣＦＤ技术的使用不仅使转轮设计的　准确性和针对性大大提高。而且使转轮的性能指标水平有了　很大突破。进入２１世纪以柬，国内、外各厂商已将三维粘性　流动的ＣＦＤ技术推广应用于轴流转浆式转轮的设计中。然　而．值得注意的是在进行轴流转轮叶片的ＣＦＤ时．转轮叶片　水力设计的质量将直接影响到后续的流动计算．尽管流动计　算结果为修改转轮叶片设计提供了很多方便，但如果初始转　轮的设计质量不尽人意。仅靠流动计算结果来修改叶型是很　难达到最满意的结果的。因此，为了使ＣＦＤ技术发挥更大的　１　叶片进、出水边的曲线形状与转轮性能的关系　对轴流式转轮叶片水力设计而言．当利用ＣＦＤ技术进行　没计时，首先是要确定转轮流道的形状和ＣＦＤ计算的边界　条件。也就是要首先确定转轮的结构参数和一些水力参数及　转轮叶片进、出水边的形状等。然　，在目前的许多设计中，　由于制造及其他原冈。我国轴流式转轮叶片的进、出水边形　状仍沿用前苏联的一些设计方法，即叶片出水边放在同一轴　截面内．而进水边则根据翼型的长短和位置放在一个光滑的　空间曲线上。值得注意的是．这种形式的叶片出水边将带来　许多缺点：①由于出水边在同一轴截面内（即水平投影在同　一作用，就必须提高转轮叶片的最初设计质量．就必须清楚叶　片参数与转轮性能的内在关系．以保证转轮的最终设ｔｌ－质量　射线上）．ｆｆ【ｉ使叶片成为一个扇形形状，在大流量工况时．　叶片轮缘同出水边的交角区域已经超出转轮室的喉口部位　和成功率。影响水轮机转轮水力性能的参数很多，不仅有结　构方面的参数．而且有水力方面的参数，关于这方面的研究　及取得的成果已有很多，但随着ＣＦＤ技术在轴流式转轮设计　而深入到尾水锥管中，此区域水流的离心运动增大。水流急　速扩散，流速分布极不均匀。ＣＦＤ的计算结果表明，此时叶片　背面等流速线向此尖角处扩散（见罔１）；②由于叶片外圆为　中使用的愈加成熟。以前一些未涉及或涉及较少的叶片参数　与转轮性能的内在联系已变得相当重要，它将直接影响到转　轮性能的进一步提高。为此．本文在总结了大量的试验数据及　ＣＦＤ计算结果的基础上，探讨了这些参数与转轮性能的关系　收稿日期：２００６－０３—１３　基金项目：陕西省教育厅专项科研基金项目（编号０５ＪＫＩ４１）　作者简介：田锋社（１９６２），男，陕西武功人，硕士，教授，高级　工程师，主要从事水力机械ＣＡＤ工作．　规律．并提出了转轮设计时这些参数的选取原则及方法。　圈Ｗａｔｅｒ　Ｐｏｗｅｒ　Ｖｏ１．３２．Ｎｏ．１２　维普资讯 http://www.cqvip.com 第３２卷第ｉ２期　ＥＨ锋社：轴抛瓦７．Ｋ靶　Ｌ转靶ｔｉｔ斤爹蜀【与　Ｉ土雕　天糸计　ｒ响到叶片转动机构的布置及叶片回转力　的大小＋　且也影　球体，当陔交角Ｉ　域深入到尾水倚，…寸，此处Ｉ１ｆ片外缘的间　隙很人，转轮的容积损失及脱汛损失也急剧增大，致使转轮　响刮转轮的水力性能　为　进行叶片没计时，网格划分部　的水力效率降低且空蚀大大加重　③轮缘同出水边的交角Ｉ必　域深入到尾水管，ｔ　，而受到尾水件－ｌ，压力脉动的影响，使该　部位受到Ｊ吉Ｊ剌性的机械撞击，容易产生疲劳破坏及叶片抖　是按流线进行的。ｒｈ于水流的料性作Ｊｌ　Ｊ，靠近叶片表面Ｉ）‘＝域　的边界层中水流的相互影响增加，如果叶片轴线　ｊ叶栅相对　位置设计不当将可能在流线方向和Ⅱ１片径向产生水跃或较　动．很多已运行的电站发现陔交角处容易产生裂纹及断裂就　是这个原因．．近几年来，我ｌ　很多制造厂商及电站已逐渐认　识到这个问题，丌　借鉴＿ｒ前苏联的坎涅夫斯克、乌斯奇一汉　达依斯克、　姆斯克、伏特金等电站切割叶片出水边的成功　大的水流紊乱，这将严重的影响转轮的水力效率　根据我们　的研究发现，叶片转轴线同叶栅的相对＿炎系应该是：在轮毂　断面处轴线府尽量通过翼型的骨线，而轮缘晰面处轴线廊在　翼型实体的上方，即从轮毂到轮缘各断面翼型骨线相对叶片　经验．对叶片轮缘与出水边的交角处进行了切割。运行实践　明．这种切割没有使电站水轮机的效率、出力及振动恶化；　同时这种切割ｕ丁将相对应力最大值前移到叶片较厚的位置，　从　提高了叶片的ＨＪ＿靠性．．这些经验说明，将叶片出水边放　在同一轴截面内是不科学的。　一＼／　　图１　最优工况叶片背面等流速线示意　随着ＣＦＤ技术在轴流转轮设讣中的应用，我们对叶片　进、　水边的曲线形状进行了大胆的改进，适当减小叶片轮　缘部分的叶栅比（ｆ，ｆ）值，增加叶片轮毂部分的Ｄｔ－栅比（１／ｔ）值，　将叶片进、出水边设计成光滑的弧线形状（在水平投影¨１），　使叶片的进、１ｔ｛水边都处在不同的轴截面内，保持叶片平均　叶栅比值和叶片总的面积值基本不变。这样不仅可使叶片背　面的流速分布更ＪＪｕ均匀，使转轮的效率和空化性能提高。ｆ『Ｉｆ＿　且町使叶片主要过流　的磨擦损失、端部损失（包括脱流损　失和容积损失）大大降低，使大流量工况及额定工况的效率　大大提高　ＣＦＤ汁算表明，叶片出水边设计成弧线形后，水流　轮缘和出水边交角区域的扩散明ｌ娃改善，叶片正、背面的　流速分布趋向均匀（见图２），正背面的压力梯度减少，转轮　性能日月显提高。这种设计方法在Ｄ１７９ａ、Ｄ２３１、Ｄ２３２等转轮　中得到了很好的应用．取得了良好的效果。　图２优化后叶片背面等流速线示意　２叶片转轴及轴线位置与转轮性能的关系　当叶片进、出水边的形状确定以后．叶片转轴及轴线位　置将变得相当重要，这个问题也是ＣＦＤ汁算很难解决的参　数问题。在以ｌｊｉｆ的没汁中，人们往往忽略了这个问题。近年来　的研究表明：叶片转轴特别是轴线与叶栅的相对位嚣不仅影　轴线成一倾斜形状（见罔３）　这种没讣不仅有利于提高转轮　的效率．而且强度计算结果表明它有利于改善叶片的应力分　布和应力水平。从Ｄ１７９及Ｄｌ７９ａ转轮的对比试验中发现，　各断面翼型骨线相对转轴轴线成倾斜状后，转轮额定点的效　率提高了０．６％，同时这种设计　‘法在Ｄ２３ｌ、Ｄ２３２转轮中也　有很好的应用　图３叶片轴线与栅相对位置示意　叶片转轴位置的选择应南叶片操作力矩及转轮水力性　能两个方面来考虑，转轴的位置必须使叶片向开与关的方向　转动时具有相近的水力矩。试验表明，对于稀疏叶栅（　≤　０．６）．叶片转轴应在距翼型头部约０．３５Ｌ处（以叶片中间端面　为准）；而对于稠密叶栅（１／ｔ≥１．３），叶片转轴应在距翼型头部　约０，４５Ｌ处。一般情况下，叶片转轴应使进、出水边到中心线　的弦长比的比值在０３５—０．４５之间为宜。　８叶片轮毂断面凸边的合理使用　水轮机的设计理论中均假定叶片无限多和无限薄。随着　ＣＦＤ技术的出现及边界层理论研究的深入，在转轮的水力　设计巾已经可以考虑叶片的排挤及水流的粘性，但叶片厚　度及变化规律仍是影响转轮性能的决定因素，仅靠ＣＦＤ计　算所获得的叶片表面附近的速度及压力分布很难解决这个　问题，因为叶片的厚度改变了转轮中液流的流动状态及规　律．而Ｋ—ｓ边界层的一些假设在预测有厚度的叶片造成的　附加旋涡及脱流方面存在　难．对于非设计工况更是如此。　那么最理想的方式仍是无厚度叶型，但这在强度上是绝对　不允许的：强度计算表明．轴流式水轮机叶片的最大应力点　一般出现在叶片法兰处或叶片法兰的下游侧到出水边与轮　缘交角的区域，这就为人们优化叶片厚度提供了可能。当前　的最新设计理念是，将叶片头部【殳计成从正、背面两边逐渐　减小的“鱼头”形状，叶片沿翼型方向的厚度变化较为平缓，　同时为了提高效率町以适当减小叶片的最大厚度；那么对　于由此所引起的强度问题如何解决呢？解决的办法就是在　叶片轮毂端面增加凸边（见图４）．这种方法可使叶片的廊力　水平大大提高，同时最高应力点的廊力水平降低．廊力分布　Ｗａｔｅｒ　Ｐｏｗｅｒ　Ｖｏ１．３２　Ｎｏ．１２囫　维普资讯 http://www.cqvip.com ｚＫ刀发电　２００６年１２月　更趋合理。　图４叶片轮毂凸边示意　４叶栅稠密度与转轮性能的关系　叶栅稠密度（ｆ，ｚ）是转轮设计及改型时的重要参数之一．　它不仅影响着转轮比转速的大小，而且直接影响着转轮水　力效率的高低、最优单位转速的大小和过流能力的强弱：同　时也是决定转轮空化性能好坏的重要因素之一＋。在一定的　来流条件和一定的叶片安放角时。叶片的叶栅稠密度（　）必　Ｕ　须满足能量转换条件，叶栅稠密度减小将导致水流相对速　度增加及叶栅偏转水流的能力降低，使转轮的水力效率降　低，所以叶栅稠密度（　）不能过小；但（ｆ，ｆ）的值过大，则叶片　阻力损失增加，同样使转轮的水力效率降低。因此，对于一　定比转速的转轮，其叶栅稠密度有一个最佳值，此时叶片的　各种损失之总和最小，转轮的水力效率最高。但以前设计　时，普遍重点强调的是叶片的平均叶栅比（　）　与转轮性能　的关系，很少注意到各段面（或流线）叶栅比沿叶片半径方　向的分布。我们最近的研究发现：在转轮平均叶栅比大致相　同的条件下，各条流线上叶栅比的分布规律直接影响到转　轮的水力性能。ＫＶ４转轮和Ｄ１７９ａ转轮叶栅比沿半径方向　的分布曲线见图５。　＿　ｌ…　＿　图５转轮ＫＶ４、Ｄ１７９ａ叶栅比（　）沿半径（开）方向的分布曲线　５结论　计算流体动力学（ＣＦＤ）技术在转轮水力｝殳计中的推广　和使用，极大地克服了以往设计中的盲目性。缩短了转轮的　开发周期，提高了设计质量。但值得注意的是，如果最初的转　轮设计质量不尽人意．仅靠ＣＦＤ计算来修改叶型设计是很　难达到满意结果。因此，要提高转轮的设计质量就必须清楚　叶片参数与转轮性能的内在关系，特别是以前研究不多的～　些参数。　（１）将叶片进、出水边设计成光滑的弧线形状，使叶片的　出水边处在不同的轴截面内，不仅可以减小叶片主要过流区　煳ＷａｔｅｒＰｏｗｅｒ　ＶｏＬ３２．Ｎｏ．１２　的磨擦损失和端部损失，同时可以改善叶片正、背面的流速　分布。从　町以提高转轮的水力效率和空化性能　（２）将叶片轴线设计成相对各断面翼型骨线成一倾斜形　状，不仪有利于提高转轮的效率，而且有利于提高叶片的强　度。　（３）在叶片轮毂端面增加凸边可使叶片最高应力点的应　力水平大大降低，整个叶片的应力分布吏趋合理。　（４）对于一定比转速的转轮，不仅应关心整个转轮的平　均叶栅稠密度，同时应关心各流线上叶栅比沿半径的分布．　只有平均叶栅比和叶栅比的分布都最佳时，叶片的各种损失　之总和最小，转轮的水力效率最高。　参考资料：　张强，流态解析在水轮机上的应用Ⅲ．发电设备，２００２，（５）：　４９—５１．　Ｍ．科尤斯顿，等．法国采用ＣＦＤ设计转浆式水轮机转轮［ｐ　…　盯．水　利水电快报，２００２，（１６）：７－８．　赵永智，韦彩新．葛洲坝水电站水轮机ＺＺ５００转轮的ＣＦＤ分析　及翼型优化ｆＪ１．东方电气评论，２００３，（４）：２２—２４．　Ｈｊ锋社．轴流式水轮机转轮ＣＡＤ系统的开发设计［Ｊ］．西北水力　发电，２００４，（１）；６一ｌ１．　田锋社．水力设计巾提高水轮机稳定性的几点措施ｆＪ１．水力发　电，２００５．（３）：５６—５８．　：　￡—　：　蛀：监　：　（上接第１５页）　参考文献：　水利部，国家计划发展委员会．全国水资源综合规划任务＝耕Ｒ１．　２００２、　郭有安．滇池流域水资源演变情势分析［Ａ］．云南省第一届科学　技术论坛集粹［Ｇ］．昆明：云南科技出版社，２００３．　段泽文，龚涛．滇池流域水资源与水污染问题［盯．云南环境科　学．２００２．２ｉ（３）：２４—２６．　候军、滇池流域水资源供需平衡初步分析ｆＪ１．云南水力发电，　２００１．１７（８）：５２—５５．５８．　何士华，邹进。程乖梅．区域水资源可持续利用模型及其应用　［Ｊ］．昆明理工大学学报，２００５，（３）：．　毛义彬、掌鸠河引水供水下程云龙水库工程简介啪．云南水电　技术，２０００，（１）：２６．　伍立群．大昆明建设中对水资源问题的思考ｆＡ１．云南省第一届　科学技术论坛集粹［Ｇ】．昆明：云南科技出版社。２００３．　冯尚友．多目标决策理论方法与应用【Ｍ】．武汉：华中理工大学　出版社．１９９０．　Ｈａｉｍｅｓ　Ｙ　Ｙ．Ｈａｌ１　Ｗ　Ａ．Ｍｕｌｔｉ—ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ　ｉｎ　Ｗａｔｅｒ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ａｎａｌｙｓｉｓ：Ｔｈｅ　Ｓｕｒｒｏｇａｔｅ　Ｗｏｒｔｈ　Ｔｒａｄｅ－ｏｆ　Ｍｅｔｈｏｄ叨．　Ｗａｔｅｒ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ．１９７４，１（１０）：６１４－６２４．　何士华，程乖梅．张思青．权衡率及其在不同水资源利用模式　下的扩展应用『Ｊ］．系统工程理论与实践，２００６，（１１）：７３—７８．