基于BladeGen的混流水輪機轉(zhuǎn)輪葉片優(yōu)化研究

劉安然，施 晶，石祥鐘，王利英

（1.河北工程大學水電學院，河北邯鄲 056021;2.中國電能成套設(shè)備有限公司，北京 100011）

混流式水輪機葉片具有較復雜的空間扭曲形狀［1］，葉片的形狀決定了轉(zhuǎn)輪的性能，設(shè)計不合理會造成運行過程中的效率較低、汽蝕和動力性能較差等問題［2－3］。基于CAD－CFD軟件對水輪機葉片優(yōu)化方法進行研究［4－5］，根據(jù)二元理論設(shè)計出適用水頭為140 m～170 m的混流式水輪機轉(zhuǎn)輪（設(shè)計過程中參考了臨近水頭推薦的HL160水輪機）［6］，使用 Workbench/BladeGen［7］對水輪機轉(zhuǎn)輪進行參數(shù)化造型，再利用CFX進行流場分析，基于分析結(jié)果評估其性能，研究分析了轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)參數(shù)對其性能的影響，通過轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)參數(shù)進行調(diào)整，優(yōu)化沿翼型壓力分布，改善了流態(tài)并提高了能量性能。對轉(zhuǎn)輪葉片的適應性進行優(yōu)化，選擇不同的開度［7］，根據(jù)計算結(jié)果對轉(zhuǎn)輪進行微調(diào)，提高了轉(zhuǎn)輪的整體性能。本文使用BladeGen對水輪機轉(zhuǎn)輪葉片參數(shù)化控制，根據(jù)設(shè)計目標和CFD分析結(jié)果不斷的調(diào)整水輪機轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)，有效的實現(xiàn)了轉(zhuǎn)輪整體性能的優(yōu)化，節(jié)約了CFD分析的時間，有助于深入探究水輪機轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)和性能之間的復雜關(guān)系。

1 轉(zhuǎn)輪初步設(shè)計及其內(nèi)部流場計算

1.1 轉(zhuǎn)輪的初步設(shè)計

根據(jù)二元設(shè)計理論，以逐步逼近的試算方式畫出軸面流線和等勢線，利用軸面流線旋轉(zhuǎn)即可得到流面，對水流質(zhì)點運動方程進行積分，對流線進行加厚，得到各流面層上翼型的空間數(shù)據(jù)。將轉(zhuǎn)輪各部分數(shù)據(jù)整理為ibl格式的數(shù)據(jù)文件讀入到BladeGen中，將葉片個數(shù)等參數(shù)設(shè)定后即可生成轉(zhuǎn)輪實體，根據(jù)葉片表面光滑性，對其進行初步優(yōu)化，葉片各流面層翼型及其軸面投影如圖1所示，轉(zhuǎn)輪實體模型如圖2所示。

1.2 水輪機全流道CFD計算

根據(jù)蝸殼、座環(huán)、活動導葉、轉(zhuǎn)輪和尾水管各部分的幾個尺寸，繪制出各部分的流動計算域幾何模型，水輪機全流道如圖3所示。

蝸殼與固定導葉計算域使用ICEM劃分為四面體網(wǎng)格，蝸殼計算域網(wǎng)格單元數(shù)為68 272，座環(huán)計算域網(wǎng)格單元數(shù)為36 539，轉(zhuǎn)輪和活動導葉部分的計算域網(wǎng)格用TurboGrid劃分，轉(zhuǎn)輪計算域網(wǎng)格單元數(shù)為100 926，活動導葉計算域網(wǎng)格單元數(shù)為17 136，尾水管計算域網(wǎng)格用ICEM劃分為六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格單元數(shù)為112 342。

使用 CFX軟件進行 CFD計算，選用 k－Epslion湍流模型，設(shè)置蝸殼進口為速度進口，尾水管出口為壓力出口。導葉和轉(zhuǎn)輪部分取單流道，將轉(zhuǎn)輪和導葉的單流道計算域設(shè)定為繞Z軸旋轉(zhuǎn)的周期性計算域，其中導葉數(shù)為24個，轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)為17個。蝸殼與座環(huán)、座環(huán)與活動導葉交界面都設(shè)置為一般連接交界面，導葉與轉(zhuǎn)輪、轉(zhuǎn)輪與尾水管交接界面設(shè)為凍結(jié)轉(zhuǎn)子交界面。在可能運行范圍內(nèi)選取的計算工況如表1。

表1 計算工況表Tab.1 Working conditions of calculation

表1考慮了轉(zhuǎn)速為780 r/min，流量為117.00 L/s的設(shè)計工況與11種非設(shè)計工況。

2 轉(zhuǎn)輪的優(yōu)化改型

2.1 葉片的水力特性優(yōu)化

利用BladeGen對翼型的結(jié)構(gòu)控制參數(shù)進行調(diào)整，主要是采用改變翼型的包角、厚度和安放角。調(diào)整過程中需要綜合考慮翼型壓力分布曲線、流場分布等因素，沿著翼型的壓力分布決定了葉片的能量與汽蝕性能，基于CFD計算結(jié)果不斷優(yōu)化葉片，使性能不斷提高，通過多次調(diào)整、計算、分析，直到達到設(shè)計要求。

圖4與圖5為轉(zhuǎn)輪優(yōu)化前后，設(shè)計工況下翼型壓力分布曲線的對比。從圖4可知優(yōu)化前葉片翼型尾部壓力分布曲線出現(xiàn)交叉，該問題是由于翼型骨線安放角不合理或是卡門渦列造成的，這對能量轉(zhuǎn)換非常不利并可能造成葉片的振動;葉展95%處沿翼型壓力分布曲線顯示出頭部基本沒有能量轉(zhuǎn)化的作用，尾部壓力下降很快，導致汽蝕性能變差，這是由于該處頭部翼型安放角較小和翼型加厚規(guī)律不良導致的。綜上可以預見這樣的葉片不會具備良好的性能。圖5為優(yōu)化后沿翼型的壓力分布，葉片翼型壓力分布較優(yōu)化前得到了很大改善，雖然靠近下環(huán)處背面的壓力較低，但可以保持在安全范圍內(nèi)，不容易發(fā)生汽蝕，可預見優(yōu)化后的轉(zhuǎn)輪具有較好的水力性能。

2.2 葉片的適應性計算

水輪機不僅在設(shè)計工況下具有較好的性能，在非設(shè)計工況下也需具有較好的性能，即葉片應具有較好的適應性。特別是在大流量區(qū)，由于葉片進口具有負沖角，將引起性能的快速下降，因此在設(shè)計工況下，應使葉片進口水流具有一定的正沖角，并將葉片頭部做成圓形，提高對非設(shè)計工況的適應性。對不同導葉開度進行CFD計算，根據(jù)計算結(jié)果再對翼型的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行微調(diào)，提高水輪機工作范圍內(nèi)的整體性能。

圖6為活動導葉開度為12.41 mm時，葉片優(yōu)化前后葉道流場形態(tài)的對比。圖6（a1）、（b1）分別為優(yōu)化前的中間流面葉道流速分布與三維流線圖，從圖中可知優(yōu)化前葉片進口水流有負沖角，三維流線顯示出葉柵中存在明顯的渦流，這可能會導致葉片的振動和汽蝕，說明優(yōu)化前轉(zhuǎn)輪對于大開度工況適應性不好，水力特性較差。圖6（a2）、（b2）顯示出優(yōu)化后的轉(zhuǎn)輪在大開度工況下流場形態(tài)良好，流速分布和三維流線顯示出較好的水力特性，說明優(yōu)化后轉(zhuǎn)輪有較好的適應性。

3 水輪機的性能計算

3.1 能量性能計算

采用優(yōu)化后的轉(zhuǎn)輪，取不同開度計算了水輪機12種工況下的能量特性參數(shù)，選取具有代表性的4個工況的計算結(jié)果列于表2。

由表2可知，設(shè)計工況下轉(zhuǎn)輪的能量性能最好，并且在設(shè)計工況附近轉(zhuǎn)輪具有較高的適應能力，但當開度達到14.5 mm時，效率呈現(xiàn)明顯降低，這是由于水流開始具有負沖角引起的，因此轉(zhuǎn)輪需要在出力限制線以內(nèi)工作。

3.2 轉(zhuǎn)輪葉片的模態(tài)計算

這里對優(yōu)化后的葉片進行了模態(tài)計算分析［8］，如圖7所示，將前6階固有頻率列于表3。

由于過流部件的水力不平衡力與其它激振力會導致葉片振動，如果與葉片的固有頻率相同即可導致共振，將會造成破壞，在運行過程中應該避開共振頻率。綜上可知，優(yōu)化后的轉(zhuǎn)輪能量特性較好，流場與葉片表面壓力分布合理，對不同開度的適應性較好，轉(zhuǎn)輪的整體性能達到了設(shè)計要求。

表2 不同開度下水輪機的出力與效率Tab.2 The output and efficiency of the turbine under different opening

表3 葉片前6階模態(tài)表Tib.3 The first six modes of bade

4 結(jié)論

1）優(yōu)化后的轉(zhuǎn)輪比使用二元理論設(shè)計出的轉(zhuǎn)輪整體性能有明顯提高，對型譜中適用于該水頭段的水輪機起到了補充作用。

2）基于BladeGen參數(shù)化的設(shè)計方法具有非常重要的應用價值，利用葉片各部分參數(shù)化控制曲線可方便地對轉(zhuǎn)輪的幾何結(jié)構(gòu)進行控制，快速實現(xiàn)葉片改型。BladeGen與TurboGrid的結(jié)合能快速劃分較高質(zhì)量的六面體網(wǎng)格，大大縮短了整個轉(zhuǎn)輪設(shè)計分析周期，提高了工作效率。

［1］廉玲軍.混流式水輪機轉(zhuǎn)輪設(shè)計方法的研究［D］.成都:西華大學，2009.

［2］趙亞萍，廖偉麗，李志華，等.軸流式水輪機葉片進水邊形狀對其性能的影響［J］.農(nóng)業(yè)工程學報，2012，28（13）:94－99.

［3］姬晉廷.軸流式水輪機轉(zhuǎn)輪改造中的關(guān)鍵問題研究［D］.西安:西安理工大學，2009.

［4］劉勝柱，郭鵬程，季興英，等.混流式水輪機葉片進水邊外延的方法［J］.中國農(nóng)村水利水電，2004，12:114－118.

［5］SCHILLING R，THUM S，MULLER N.Design optimization of hydraulic bladings by multilevel CFD－technique［C］.Proceeding of 21nd IAHR，2002.

［6］季盛林，劉國柱.水輪機（第二版）［M］.北京:水利電力出版社，1985.

［7］詹巧月，周晨陽，韓鳳琴.基于轉(zhuǎn)輪入口流動的最優(yōu)導葉開度預測［J］.工程熱物理學報，2013，34（5）:862－865

［8］王少波.混流式水輪機轉(zhuǎn)輪動力特性分析及綜合優(yōu)化設(shè)計［D］，鄭州:機械科學研究院，2003.