轴流式水轮机转轮进出水边优化设计及其对性能的影响

• 作 者: 赵亚萍
• 机 构: 西安理工大学
• 出 处: 西安理工大学
• 发表日期: 2011年期
• 关键词: 优化设计 轴流式水轮机 运行性能 叶片几何参数 三角锲间隙 转轮进出水边

与混流式水轮机相比，轴流转桨式水轮机在运行过程中还存在空化严重、效率低、机组稳定性差等一系列问题。因此，轴流式水轮机转轮叶片的优化设计也成为当今研究的热点。本文采用基于CFD的水轮机局部改型优化和智能算法多目标优化进行轴流转桨式水轮机转轮的优化设计，并对不同转轮叶片的水轮机内部流场及水力性能进行分析，探讨叶片几何参数与水轮机水力性能、运行参数、运行范围以及效率特性的相互关系。同时，研究了导叶三角锲间隙以及桨叶轮毂三角锲间隙的存在对水轮机内部流动特性的影响。主要结论如下：　　
首先，采用CFD技术对轴流式水轮机内部流动进行数值模拟，分析水轮机转轮设计中的不足，考虑到轴流式水轮机水流在导叶和转轮之间作90°的转弯以及叶片进水边靠近轮毂及轮缘处的位置对水轮机性能的影响，对叶片进水边进行局部优化，从而改善了叶片表面压力分布和空化性能，提高水轮机的效率水平。通过研究表明，转轮叶片进水边位置的不同对叶片表面压力和流道内流场分布有很大影响。　　
其次，研究轴流转桨式水轮机两种三角锲间隙，结果表明：a）大开度时，导叶三角锲间隙及导叶下轴颈的存在使得导叶下端面处流态紊乱，导叶尾部均出现微小漩涡，对下游转轮内的流动，尤其是轮缘处流动产生影响，且使得导叶处容易发生空化空蚀；b）转轮叶片轮毂三角锲间隙的存在，使其内部流动表现为两种形态：叶片进水边靠轮毂处三角锲间隙内为间隙射流；叶片出水边靠轮毂处三角锲间隙内为间隙涡带。间隙流的存在加剧了轮毂体的空蚀，同时间隙涡带将加剧尾水涡带。　　
最后，通过对不同转轮叶片的水轮机进行内部流场及水力性能分析表明：1．叶片正背面压差随叶片空间挠度的减小而减小，叶片表面压力分布也趋于均匀；2．叶片包角及叶栅稠密度较大时，叶栅排挤作用较大，流道内水力损失增大，且使水轮机的运行范围向低转速、小流量方向移动，尤其在叶片出口安放角较小时，水轮机的过流能力遭到限制，水轮机的运行范围及高效率区较窄。