导叶对液力透平机组工作稳定性的影响

史广泰 杨军虎 刘小兵 刘洋

摘要： 为了提高液力透平工作时的稳定性，降低机组的振动，在液力透平叶轮进口前添加不同数量的导叶，采用SST kω湍流模型，利用FLUENT软件通过在各过流部件内设置监测点计算在不同导叶数下液力透平内的压力和压力脉动情况，然后通过快速傅里叶变换将压力脉动的计算结果进行处理，分析液力透平各过流部件内压力脉动的时域和频域分布，最后总结导叶数对液力透平机组工作时稳定性的影响规律。研究表明：当导叶数等于9时蜗壳内的压力脉动主频幅值最小；随着导叶数的增加，叶轮内的最大压力脉动幅值逐渐减小，而导叶数对尾水管内压力脉动幅值的影响较小；要提高液力透平机组的稳定性需降低液力透平内的压力脉动幅值，而通过叶轮进口前添加导叶的方法可以很好地降低液力透平内的压力脉动幅值，但导叶数不能太少也不能过多。关键词： 导叶； 液力透平； 稳定性； 压力脉动； 振动

中图分类号： TH311； TK730文献标志码：A文章编号：10044523（2016）04060907

DOI：10.16385/j.cnki.issn.10044523.2016.04.007

引言

液力透平作为一种能量回收装置，其叶轮在高压液体的作用下旋转，将液体所具有的能量部分转化为液力透平的机械能，从而达到能量回收的目的[12]。但液力透平在工作过程中由于叶轮与蜗壳之间的动静耦合导致液力透平内出现压力脉动，这种压力脉动会引起周期性的压力波，这将导致液力透平各元件中出现周期性的振动和噪声，降低液力透平机组工作时的稳定性[34]。

目前对液力透平的研究主要集中在液力透平的选型和高效设计方法两方面，对于液力透平的选型，主要通过换算关系将泵工况换算为液力透平工况[56]；而对于液力透平的高效设计主要通过优化叶轮各几何参数、优化叶片形状、添加长短叶片以及改进叶片设计方法等[78]，还有对蜗壳截面形状和几何参数等的优化研究[9]。除了上述关于几何参数和形状的研究方法之外，文献[10]还通过理论的方法对液力透平的性能进行了研究，提出了在考虑叶轮内滑移时液力透平的基本能量方程。当离心泵反转用作液力透平时虽然能够较好地回收能量，但机组运行并不稳定，为了解决液力透平运行时不稳定的问题，文献[11]在液力透平叶轮进口前添加导叶，研究发现添加导叶后各流道间压力分布更为对称。可见，添加导叶的确可以改善液力透平运行时的稳定性。

由于压力脉动也是引起液力透平机组工作时不稳定的因素之一，所以为了提高液力透平机组工作时的稳定性，本文通过在液力透平叶轮进口前添加不同数量的导叶来研究导叶数对液力透平内压力脉动的影响，总结导叶数对液力透平机组稳定性的影响规律，从而为提高液力透平机组的稳定性提供理论参考。

Abstract： In order to enhance the stability of hydraulic turbine， and reduce the vibration of hydraulic turbine when it is working， this paper added a set of guide vanes at the impeller import of hydraulic turbine， set the monitoring points through ANSYSCFD software in the each flow passage components， and calculated the changes rule of pressure and pressure fluctuation within hydraulic turbine under the different guide vane numbers by using the turbulence model SST k-ω， transformed the calculation results of pressure fluctuation by FFT， analyzed the distribution of time domain and frequency domain within each flow passage components， finally， analyzed and summarized the results. The study found that the dominant frequency amplitude of pressure fluctuation is minimum in the volute when the guide vane numbers is equal to nine. With the increase of guide vane numbers， the greatest amplitude of pressure fluctuation is gradually decreased in the impeller， but the effect of the guide vane numbers on amplitude of pressure fluctuation is smaller in the draft tube. The method that a set of guide vanes are added to the impeller import of hydraulic turbine can good reduce amplitude of pressure fluctuation， enhance the stability of hydraulic turbine， but the guide vane numbers neither too much nor too little.

Key words： guide vane； hydraulic turbine； stability； pressure fluctuation； vibration