水泵水輪機(jī)蝸殼設(shè)計(jì)

卜新魁

摘 要：本文簡(jiǎn)要介紹了水輪機(jī)蝸殼蛋形設(shè)計(jì)技術(shù)，并對(duì)蝸殼進(jìn)行流體力學(xué)分析和數(shù)值模型研究。其間基于三維建模軟件SolidWorks搭建了某款水輪機(jī)蝸殼的三維實(shí)體模型，并基于網(wǎng)格劃分工具對(duì)其進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分，為后續(xù)蝸殼穩(wěn)定性能的研究奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：水輪機(jī);蝸殼;數(shù)值模型

中圖分類(lèi)號(hào)：TV734.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）32-0039-03

Abstract： This paper briefly introduced the egg-shaped design technology of the turbine volute， and conducted hydrodynamic analysis and numerical model research on the volute. In the meantime， a three-dimensional solid model of a certain turbine volute was built based on the three-dimensional modeling software SolidWorks， and a reasonable meshing was performed on it based on a meshing tool， laying a foundation for the subsequent study of the stability of the volute.

Keywords： water turbine;volute case;numerical model

在國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展與人們?nèi)粘Ｉ钪?，能源扮演著至關(guān)重要的角色，占據(jù)著不可替代的位置。工業(yè)革命至今，世界各國(guó)人口基數(shù)快速增長(zhǎng)，科學(xué)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展飛速前進(jìn)，人們的生活水平也不斷提高。因此，社會(huì)發(fā)展對(duì)能源的需求量呈現(xiàn)出指數(shù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。社會(huì)的快速發(fā)展及科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，離不開(kāi)環(huán)境能源的持續(xù)性供應(yīng)。傳統(tǒng)的化石能源被大力開(kāi)采，造成化石能源資源緊缺，21世紀(jì)以來(lái)，國(guó)家開(kāi)始了對(duì)清潔可再生能源的開(kāi)發(fā)，尋求可替代化石能源的清潔能源，以緩解能源危機(jī)與環(huán)境問(wèn)題。

1 概述

水電是一種清潔能源，水力發(fā)電的出現(xiàn)對(duì)我國(guó)電力行業(yè)的發(fā)展起到重要的緩解作用。20世紀(jì)90年代初至2010年，我國(guó)水利水電工程建設(shè)事業(yè)進(jìn)入了黃金時(shí)期。我國(guó)先后建成數(shù)座世界級(jí)巨型水電站，水電裝機(jī)容量顯著提升。

近年來(lái)，隨著水利工程的快速建設(shè)，水存量大的河流湖泊已經(jīng)基本開(kāi)發(fā)完畢。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，小型水電站的開(kāi)發(fā)火熱進(jìn)行，能夠滿(mǎn)足當(dāng)?shù)仄髽I(yè)和居民的用電需求。小型水電站的水容量較小，隨著季節(jié)的變化，水庫(kù)水位不斷變化，穩(wěn)定性不強(qiáng)。在水庫(kù)水頭、水流量和水輪機(jī)轉(zhuǎn)速固定的情況下，水輪機(jī)才會(huì)出現(xiàn)最優(yōu)的工作環(huán)境，此時(shí)，其運(yùn)行效率達(dá)到最高。因此，水頭的狀態(tài)與轉(zhuǎn)速對(duì)水輪機(jī)最高效率有直接影響。傳統(tǒng)的水輪機(jī)組轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率同步且無(wú)法進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，而且無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間在最優(yōu)工況下工作;采用全功率變流器組件驅(qū)動(dòng)的水輪機(jī)組，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，獲得最高的工作效率，提高水能利用效率。在應(yīng)對(duì)電力系統(tǒng)負(fù)荷變化工況時(shí)，傳統(tǒng)的水輪機(jī)組對(duì)輸入功率的調(diào)節(jié)能力較弱，難以實(shí)現(xiàn)快速反應(yīng)和調(diào)節(jié)，無(wú)法滿(mǎn)足電網(wǎng)快速、精確地調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)頻率的要求。

水輪機(jī)組的穩(wěn)定性能是水電站正常運(yùn)行的關(guān)鍵因素，特別是高水頭水電站的水輪機(jī)組，其蝸殼強(qiáng)度及穩(wěn)定性能更是決定水泵穩(wěn)定運(yùn)行的根本[1-3]。本文對(duì)市場(chǎng)上的可逆水輪機(jī)蝸殼進(jìn)行設(shè)計(jì)研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，其設(shè)計(jì)方法與實(shí)際工況對(duì)水泵性能的多樣化要求相比，存在或多或少的問(wèn)題。

因此，本文為解決水輪機(jī)運(yùn)行工況條件下蝸殼對(duì)水輪機(jī)與水泵的兼容問(wèn)題，依據(jù)傳統(tǒng)水輪機(jī)蝸殼的設(shè)計(jì)方法，提出運(yùn)用蛋形耐壓蝸殼的仿生技術(shù)進(jìn)行蝸殼設(shè)計(jì)。

2 蛋殼仿生技術(shù)

本文基于蛋形耐壓蝸殼仿生技術(shù)對(duì)某款高水頭水輪機(jī)蝸殼截面進(jìn)行三維設(shè)計(jì)與數(shù)值分析，并搭建了按照水泵設(shè)計(jì)蝸殼、按水輪機(jī)設(shè)計(jì)蝸殼以及D型耐壓水輪機(jī)蝸殼三種方法設(shè)計(jì)的蝸殼截面三維實(shí)體模型[4-5]。其間基于CFD仿真工具Hypermesh軟件對(duì)水輪機(jī)部件的三維模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，對(duì)比三種設(shè)計(jì)方法，以尋找適合水輪機(jī)蝸殼設(shè)計(jì)的合理方案。

2.1 控制方程

本文研究水輪機(jī)蝸殼在工作條件下的穩(wěn)定性能，涉及復(fù)雜的流體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。由于流體機(jī)械內(nèi)流動(dòng)特點(diǎn)及流場(chǎng)特性的多樣化，本文基于國(guó)內(nèi)外流體動(dòng)力學(xué)研究所普遍采用的計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基本，對(duì)水輪機(jī)蝸殼設(shè)計(jì)所需的動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行數(shù)值模擬與分析。質(zhì)量守恒方程為：

式中，[v]為黏性系數(shù);[fx]為[x]軸方向的雷諾平均速度分量，m/s;[fy]為[y]軸方向的雷諾平均速度分量，m/s;[fz]為[z]軸方向的雷諾平均速度分量，m/s。

2.2 水輪機(jī)蝸殼建模

本文基于SolidWorks三維建模軟件，建立了水輪機(jī)內(nèi)過(guò)流部件的三維實(shí)體模型，并采用CFD仿真工具Hypermesh軟件進(jìn)行了網(wǎng)格劃分。首先繪制水輪機(jī)蝸殼截面草圖，以此形成蝸殼各個(gè)斷面的型線(xiàn)，然后以斷面型線(xiàn)為基礎(chǔ)，構(gòu)造蝸殼三維實(shí)體模型。蝸殼三維幾何模型如圖1所示。

根據(jù)某款水輪機(jī)組的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)該水輪機(jī)蝸殼尺寸進(jìn)行計(jì)算，水輪機(jī)數(shù)值計(jì)算模型與水輪機(jī)蝸殼網(wǎng)格示意圖如圖2、圖3所示。

3 結(jié)論

在不同工況條件下，水輪機(jī)運(yùn)行時(shí)對(duì)蝸殼的性能要求不同。本文對(duì)蝸殼進(jìn)行三維建模并進(jìn)行了合理的網(wǎng)格劃分，為研究水輪機(jī)蝸殼在不同工況下的穩(wěn)定性能及耐久性奠定基礎(chǔ)，并提出了基于蛋形耐壓蝸殼仿生技術(shù)的D型蝸殼設(shè)計(jì)方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]廖偉麗，李建中.水輪機(jī)蝸殼內(nèi)流動(dòng)的數(shù)值研究[J].西安理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2002（1）：5-9.

[2]陽(yáng)芳.大型水電站水輪機(jī)蝸殼結(jié)構(gòu)研究[D].武漢：武漢大學(xué)，2004：22-23.

[3]曹樹(shù)良，許國(guó).水輪機(jī)蝸殼和固定導(dǎo)葉內(nèi)部三維紊流流場(chǎng)數(shù)值研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，1998（5）：586-589.

[4]辛喆，張?zhí)m金，常近時(shí).混流式水輪機(jī)蝸殼與座環(huán)三維中湍流場(chǎng)的數(shù)值模擬[J].水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展，2004（6）：713-718.

[5]李澤，張小艷，張立翔，等.基于流固耦合方法的水輪機(jī)蝸殼結(jié)構(gòu)振動(dòng)及損傷機(jī)理研究[C]//南方計(jì)算力學(xué)學(xué)術(shù)交流會(huì).2013.