混流式水轮机优化设计方法的研究

【摘 要】为了确保混流式水轮机的各项性能指标良好。对混流式水轮机的优化设计方法进行了研究。从相似理论法、CFD分析法、优化设计法这3个方面进行了论述，提出了相似理论法设计的优点和不足之处、CFD分析法的必要性以及优化设计的方法和依据。为后续混流式水轮机优化设计，提供了参考依据。

【关键词】混流式水轮机；优化设计方法；相似理论；CFD分析法

中图分类号： TK733.1 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2017）20-0019-002

Study on Optimization Design Method of Francis Turbine

ZHANG Hui-zhen

（Sichuan water conservancy vocational and technical college， SiChuan ChengDu 611231）

【Abstract】In order to ensure the performance of Francis turbine is good. The optimal design method of Francis turbine is studied. This paper discusses the three aspects of similarity theory， CFD analysis and optimization design， and puts forward the advantages and disadvantages of similar theoretical design， the necessity of CFD analysis and the method and basis of optimization design. Which provides a reference for the optimal design of the mixed flow turbine.

【Key words】Francis turbine； Optimal design method； Similarity theory； CFD analysis method

混流式水轮机的合理设计，是确保机组运行时在效率、抗气蚀性以及稳定性这3个方面具有良好的性能指标。由此可见，混流式水轮机的设计方法直接关系到机组的性能。因此，对设计方法的研究，具有良好的工程价值。

一直以来，人们对于水轮机的优化设计方法做了大量研究。例如，文献[1]采用了对转轮叶片割边的方法，提升了机组的效率；文献[2]对转轮叶片修型，使转轮流场的负压区域减小，提高了机组的抗汽蚀性；文献[3]设计了椭圆蜗壳，增大了转轮的直径，实现了水轮机增容改造的目标。基于上述研究可知，对于混流式水轮机的优化设计中，多数优化设计针对转轮叶片进行的，由此可见，水轮机的运行特性，多是因为水力因素造成，而影响水力因素的关键则是转轮（包括类型、直径、材料等）。所以，本文针对水轮机的转轮优化设计方法，进行了探讨。

1 传统设计方法的弊端

混流式水轮机传统设计方法，是指按照水轮发电机设计手册的要求，从机组选型、结构设计、强度校核、效率修正等方面进行全面计算和设计。理论上来讲，传统设计方法设计出的水轮机质量较高且各项参数的指标性能良好。但是，该设计方法目前的普及性并不高，原因在于其在一定的弊端：（1）设计周期长。該设计方法由于需要论证的方面多、计算量偏大致使设计和生产的周期非常长，故经济效益不佳；（2）无法了解机组的内部流态。该设计方法侧重于机组的强度性能，而流场方面的计算和论证较少。实际上水流流态对于机组的影响是非常重要的，而且比较复杂，不易用公式来精确描述，所以其内部流态的真实状态如何，无法考证。综上所述，对于混流式水轮机的优化设计而言，传统的设计方法并不适用。因此，需要选择其他的设计方法来实现。

2 相似理论设计法

从缩短机组设计周期的方面来看，目前许多大中型水电设备制造厂家采用的是相似理论设计法。因为水轮机属于流体机械，内部的流程规律满足相似理论，即同型普转轮的机组，零部件形状、尺寸、水流流速以及效率等参数均满足几何相似和动力相似规律。基于相似理论设计法的水轮机设计，是指在设计某水轮机时，根据机组所在的电站水头、流量、含沙量等条件，选择与之水纹条件类似的电站机组作为参考机组。且参考机组必须保持良好的运行指标，否则便不具备参考价值。然后，选择与参考机组相同的转轮类型，并确定直径。最后按照几何相似的准则对水轮机各个零部件进行等比缩放，完成机组的相似设计。例如，对某电站的某台混流式水轮机进行设计时，选择了另外一个相似水力条件的电站机组作为参考，并确定了该机组的转轮类型。已知参考机组的转轮直径为2400mm，而拟设计机组的转轮直径为1800mm，故在设计时，拟设计的转轮和参考转轮的形状、结构均完全相同，各个翼型截面的参数取值，均按照1800/2400的比例进行等比缩放。同时，其他过流部件（如蜗壳、尾水管、导水机构等）也按照该原则进行设计。从上述阐述可知，采用相似理论设计法，设计周期较短、设计效率高，但是由于两个电站的水纹条件不可能完全相同，每个电站所处的位置均有自身的特征，所以相似理论设计出的转轮不一定完全匹配电站的水文条件，依然存在设计出的机组性能不佳的问题。

3 CFD分析法

相似理论设计法虽然在一定程度上缩短了设计的周期，但是由于电站与电站之间的水纹条件不可能完全相同，所以采用几何相似设计出的机组，难免会存在偏离最优工况、水流流态不佳等问题。传统的验证方法，是采取模型试验，即按照设计出的水轮机等比制造一个小型的机组模型，然后在试验台进行水力性能验证。但是该方法的弊端在于测试成本昂贵，且如果试验结果不佳，需要对转轮重新设计，还得继续制造机组模型，进一步增加了成本。所以，采用CFD计算机仿真成为了主要的研究手段，它是相似理论设计后的下一个环节，即采用CFD分析手段对设计出的水轮机组进行内部流场仿真，提前预判机组的水力性能，并为后续的优化设计提供依据。该方法极大地节约了成本，可以将各设计方案在计算机中完成模型的构建便能够操作。通常情况下，CFD分析的步骤包括边界条件的设置、网格的划分、湍流模型的选择等。从目前的计算机技术而言，CFD分析具有较高的计算精度，且应用比较广泛，是一种行之有效的研究手段。

4 优化设计方法

通常情况下，对于相似理论设计出的水轮机，其CFD分析结果往往不是最佳流态，所以需要对水轮机结构进行后续的优化设计。主要的优化设计方法有：（1）更换转轮。将原方案转轮进行更换，选择更加适合该电站水纹条件的转轮类型；（2）设计新转轮叶片翼型。对原转轮叶片的翼型进行调整，使得过流面更加光滑，减少漩涡、回流的发生；（3）增加尾水管支墩。对尾水管设计支墩，优化尾水管内部的流态，提高回能系数。按照上述方法完成优化设计之后，需要再对优化设计方案进行CFD分析，确定其流态已达到了更佳的效果。例如，某机组采用相似理论设计法完成机组的设计和建模后，采用CFD对其进行流态分析，结果发现，机组的效率不高、转轮叶片过流面的负压区域较大、转轮出水边存在明显的涡带等问题，则可以采用调整叶片翼型，让各截面之间的过渡更加光滑，从而达到优化设计的效果，实现水力性能的进一步改善。

5 结论

在分析了设计方法对于水轮机运行效果的重要性之后，提出了相似理论法、CFD分析法以及优化设计相结合的设计方法。在预判水轮机内部流态性能的前提下，对结构进行改进。缩短设计周期的同时，达到了优化机组性能指标的目的。

【参考文献】

[1]王旭，张佳芬，卢婧，等.水轮机转轮叶片割边改造的CFD与模型试验分析[J].机械设计与制造，2017（1）：6-8.

[2]陈柱，秦波，桂亚琴.四川关州水电站水轮机结构设计[J].广西水利水电，2013（6）：63-67.

[3]王旭，李萍，陈荣盛，等.水轮机椭圆蜗壳设计的CFD计算及试验分析[J].人民黄河，2016，38（1）：109-111.