基于长短叶片混流式水轮机三维数值模拟

晏祝，刘小兵，程伟

(西华大学能源与动力工程学院，四川 成都 610039)

近年来，大型机械的设计制造水平飞速发展，混流式水轮机的发展也日新月异，其中，长短叶片混流式水轮机具有运行稳定，适应性好，效率高等特点，受到行内专家的一致好评。[1-2]

胡秀成等人[3]，对水轮机进行了三维模拟，认为水轮机应该具有长短叶片，并且做出比较得到了具有长短叶片的水轮机的优势；魏显著等人[4]为了提高混流式水轮机的效率，采用整体设计的思想设计水轮机，最终得到了从蜗壳进口到尾水管出口的完整设计方案，从而提高了水轮机效率。曹芳滨等[5-6]对水轮机进行模拟，发现有长短叶片的水轮机压力分布更加均匀，且在大流量条件下水力性能更好。基于以上原因，有必要研究在多种工况下长短叶片水轮机流动情况，为混流式水轮机的设计提供一定的理论参考。

1 几何模型及计算网格建立

本研究某混流式水轮机。其主要参数有：转轮直径：350mm，长叶片15个，短叶片15个，8个固定导叶，24个活动导叶。利用商业软件，对蜗壳，坐环，转轮，尾水管进行三维建模。

全流道采用非结构四面体网格，它具有适应性强的特点，为了让网格质量更好，对速度、压力变化梯度大的区域进行局部加密。

2 计算结果及分析

2.1 转轮速度分析。不同开度工况下转轮出口线性速度分布。选取叶轮出口与尾水管进口交界面，得到叶轮出口沿径向速度分布。在不同开度工况下，转轮出口截面速度总体呈现半径的增加速度增大的趋势，但是在半径最大处有一个骤降。出现骤降的原因是由于在固体壁面附近的薄层中,粘性力的影响则不能忽略,沿壁面法线方向存在相当大的速度梯度，所以出现速度骤降。

最优开度工况下速度变化十分平稳，说明尾水管进口处流体均匀进入，然而小开度和大开度工况下速度变化梯度较大，其主要原因是蜗壳与转轮存在动静干涉，且随着流量的增大，蜗壳与转轮的动静干涉效应越明显，这使得整个流道流动紊乱，有脱流损失最终导致水力性能差。

2.2 尾水管。流体在尾水管中流动十分复杂，在不同工况下回流、旋涡、撞击的大小强度各不相同尾水管回复系数作为判断水轮机内部质量的参数，具有精度高，容易计算等特点。尾水管回复系数越大说明尾水管中流体流动越合理，原因是尾水管中的离心力能够有效的控制流体流动，当离心力达到一个最优值流体将不会从尾水管管壁脱流，有利于尾水管能量的回收。

尾水管压力回复系数定义为：

计算得出：不同导叶开度所对应的压力回复系数不同，在最优工况时，尾水管压力回复系数最大，达到80.82%，然而小工况和大工况下所对应的尾水管压力回复系数分别为76.48%和79.56%，可以看出在最优工况时尾水管回复系数大于其它工况下的尾水管回复系数，最优工况与大流量工况差异不大，说明最优工况和大流量工况下尾水管中的离心力能够有效的控制流体流动，减少了尾水管管壁脱流现象的发生。综上所述，在最优工况时尾水管能量回收最好，提高了水轮机效率。

3 结论

转轮出口处流动过程极为复杂，蜗壳与转轮存在动静干涉，且随着流量的增加，蜗壳与转轮的动静干涉效应越明显。压力面附近的相对速度较大，从压力表面到吸力表面呈现降低趋势，且有流动紊乱，脱流损失等现象出现。

涡流集中在尾水管进口附近，而水流入直锥管后流线较为平稳，但是在中段有不同程度的旋涡。计算尾水管回复系数得出：在最优工况时，尾水管内部流动更合理，能量回收最好，最大限度的提高了水轮机效率

[1] 胡全友,刘小兵,赵琴.长短叶片水轮机转轮内固液两相流数值模拟[J].人民长江,2016,(02):86-91.

[2] 余燕.混流式水轮机全流道内部流动特性数值分析[M]兰州:兰州理工大学出版社,2010

[3] 胡秀成,张思青,张立翔.基于CFD的长短叶片水轮机转轮研究[J].水电能源科学,2009,(03):144-146.

[4] 魏显著;刘万江;韩秀力.基于现代CFD过程的轴流式水轮机通道的改进设计[J]东方电气评论,2005,19(1)1-7,17

[5] 曹芳滨,张思青,张晓旭.长短叶片水轮机转轮气液两相流的数值模拟[J].水电能源科学,2013,(12):214-216.

[6] 曹芳滨.基于CFD的长短叶片水轮机转轮三维空化数值模拟[D].昆明理工大学,2013.

[7] 廖伟丽,姬晋廷,逯鹏,罗兴锜.混流式水轮机的非定常流动分析[J].机械工程学报,2009,(06):134-140.

[8] 胡全友,刘小兵,赵琴.基于两相流动理论的混流式水轮机叶轮内泥沙磨损的数值模拟[J].水电能源科学,2016,(07):183-186.