軸流式水輪機(jī)葉片進(jìn)水邊形狀對其性能的影響

張秀紅

摘 要：在軸流式水輪機(jī)中，其輪機(jī)葉片的幾何形狀會對軸流式水輪機(jī)的性能和運(yùn)行區(qū)間產(chǎn)生很大的影響。故而，研究同一葉片安裝角度下，水輪機(jī)不同葉片形狀對運(yùn)轉(zhuǎn)情況的影響，有利于提升軸流式水輪機(jī)的工作效率。本文將從這個角度出發(fā)，通過對比分析不同葉片條件下的水輪機(jī)中的水流特征和壓力分布，找到提高軸流式水輪機(jī)效率的有效策略。

關(guān)鍵詞：軸流式水輪機(jī) 進(jìn)水邊 葉片形狀 性能影響

中圖分類號：TK73 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-9082（2019）02-0-01

軸流式水輪機(jī)葉片的形狀在長時間的實踐應(yīng)用中，不斷的發(fā)生著變化，在最初的設(shè)計中，是根據(jù)同一軸面上葉片出水邊的位置，以及葉片的形狀和長度來設(shè)置進(jìn)水邊葉片。這種設(shè)計方式通常是將進(jìn)水邊與出水邊放置在同一空間曲線上，這就導(dǎo)致軸流式水輪機(jī)在運(yùn)行過程中，常常出現(xiàn)葉片斷裂或者產(chǎn)生裂紋的情況。在國內(nèi)的應(yīng)用中，由于最優(yōu)理論的提出，人們得到了理論上最優(yōu)化的進(jìn)水邊葉片設(shè)計方式。在這一時期，我國的吳仲華先生提出的兩種理論（S1，S2）被大量的運(yùn)用到了水力機(jī)械設(shè)備的葉片設(shè)計中。時至今日，基于兩種理論的水輪機(jī)葉片設(shè)計仍在被廣泛的應(yīng)用。雖然有一些變化，卻也是在這兩個理論基礎(chǔ)上變形得來的。在那之后的發(fā)展中，由于計算流體力學(xué)（CFD）的不斷創(chuàng)新和應(yīng)用，軸流式水輪機(jī)葉片的形狀幾經(jīng)調(diào)整，產(chǎn)生了多種不同的形狀。同時，對于水輪機(jī)的壽命也能夠通過計算空化磨損的方式來得出較為準(zhǔn)確的預(yù)測。

一、軸流式水輪機(jī)葉片的傳統(tǒng)設(shè)計方法

在軸流式水輪機(jī)運(yùn)行的過程中，其內(nèi)部水流的流動方式是極為復(fù)雜的三維流動方式。在計算流體力學(xué)（CFD）的理論基礎(chǔ)上，我們在對軸流式水輪機(jī)進(jìn)水邊葉片進(jìn)行設(shè)計時，通常要進(jìn)行一下幾個假設(shè)：第一，假設(shè)水流不具有粘性也不能夠被壓縮，是一種均質(zhì)的液體；第二，假設(shè)在軸流式水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，其內(nèi)部液體中任何一點的壓力、速度和密度都不會隨著時間的變化而變化；第三，假設(shè)轉(zhuǎn)輪區(qū)域內(nèi)的水流的絕對速度徑向分量為零，即 ；第四，滿足圓柱層無關(guān)性假設(shè)。也就是說，在水輪機(jī)進(jìn)水邊葉片形狀的設(shè)計中，要在默認(rèn)上面四條假設(shè)的情況下進(jìn)行。

1.升力法

在軸流式水輪機(jī)葉片形狀的設(shè)計中，升力法是運(yùn)用最早的一種方法。從流體力學(xué)的角度來看，在水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，當(dāng)水流圍繞葉片流動時，水流與葉片之間必然會產(chǎn)生相互作用力，這一作用力分為兩種，一種是垂直于水流進(jìn)入方向的升力，另一種是平行于水流進(jìn)入方向的阻力。基于這一現(xiàn)象，通過努闊夫斯基的升力理論，開創(chuàng)性的使用升力法設(shè)計了軸流式水輪機(jī)葉片的形狀。升力法的具體計算方式為，在葉片的形狀和尺寸以及安裝角度不變的情況下，通過計算可以得出水流流過葉片時產(chǎn)生的作用力。這一計算方式是可逆的，也就是說，在已知葉片受力狀況的情況下，通過計算能夠得出葉片的尺寸和安裝角度。在實際的實際過程中，還應(yīng)將葉片的動力特性考慮在內(nèi)，因此，升力法其實是一種理論與經(jīng)驗相輔相成的設(shè)計方式。

2.升力法的實際運(yùn)用

在升力法的實際運(yùn)用中，我們參照某水電站水輪機(jī)的一組數(shù)據(jù)來進(jìn)行分析，如表1。

在表1中，A，B，C分別為三種不同的進(jìn)水邊葉片形狀，通過分析表中數(shù)據(jù)我們可以發(fā)現(xiàn)，在截面數(shù)相同的情況下，不同葉片設(shè)計方案中的流量工況不同，在A，B，C三種設(shè)計方案中，B方案在小流量工況下的效率最優(yōu)；A方案在最佳工況下和大流量工況下的效率最優(yōu)；C方案在三種工況下的效率均弱于其他兩種方案。同時我們還能發(fā)現(xiàn)，徑向流量速度會隨著截面數(shù)的增加而加快，當(dāng)截面數(shù)為4時為最優(yōu)，當(dāng)截面數(shù)超過4時，效率明顯下降。

表1中的數(shù)據(jù)是在具備三種不同形狀葉片的情況下，通過設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)實驗收集到的數(shù)據(jù)，而升力法可以在既定徑向流量和截面數(shù)的情況下，反向計算出葉片的規(guī)格參數(shù)。同樣的，在已知葉片參數(shù)的情況下，也可以通過升力法計算出該葉片最適合運(yùn)用于哪種流量工況中。

二、軸流式水輪機(jī)葉片的現(xiàn)代設(shè)計方法

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得軸流式水輪機(jī)葉片設(shè)計有了飛躍式的發(fā)展。在過去的設(shè)計中，設(shè)計過程通常依賴于手工，是一種靜態(tài)的、隨機(jī)的設(shè)計方式，受到經(jīng)驗和個人主觀因素的影響。在現(xiàn)代設(shè)計理論體系中，在充分了解軸流式水輪機(jī)葉片運(yùn)動規(guī)律的基礎(chǔ)上，運(yùn)用最優(yōu)控制理論，結(jié)合計算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算能力進(jìn)行的一種定量設(shè)計。它的優(yōu)勢是十分明顯的。相比于傳統(tǒng)的設(shè)計方式，它是一種動態(tài)的、科學(xué)的設(shè)計方法，避免了人為設(shè)計產(chǎn)生的誤差和主觀影響。所以，在近幾年來，基于吳仲達(dá)先生的兩種算法（S1，S2），出現(xiàn)了許多現(xiàn)代特色的設(shè)計理念，例如：奇點分布法。

在當(dāng)前的應(yīng)用中，奇點分部法能夠有效解決葉柵繞流問題，是一種被廣泛使用的方法。奇點分部法實質(zhì)上是勢流疊加法的一種實踐應(yīng)用，是在求解平面勢流問題的過程中發(fā)展而來的。它的基本理論是，在設(shè)計軸流式水輪機(jī)葉片的過程中，通過對水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的勢流中點窩、點匯、點源的集中分布數(shù)據(jù)，帶入勢函數(shù)和流函數(shù)進(jìn)行解析，求解葉柵的繞流問題。在計算過程中，一般我們認(rèn)為，如果葉片的厚度較小，那么可以用骨線來代替葉型，那么就可以用連續(xù)分布骨線的渦層來取代葉柵。而當(dāng)求解對象為厚度較大的葉柵時，可以通過在葉片上分布渦、點、匯的方式，讓其滿足葉型邊界為封閉流線的條件。相較于其它幾種現(xiàn)代設(shè)計理念中的葉片設(shè)計方式，奇點分布法出現(xiàn)的較早，其具有比較嚴(yán)密的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，在函數(shù)計算過程中容易收斂。因而它具有較高的精準(zhǔn)度。但是在適用范圍上，對于葉片較厚和繞度較大的葉片設(shè)計中還有一定的局限性，需要進(jìn)一步完善。