轴流式水轮机叶片进水边形状对其性能的影响

张秀红

摘 要：在轴流式水轮机中，其轮机叶片的几何形状会对轴流式水轮机的性能和运行区间产生很大的影响。故而，研究同一叶片安装角度下，水轮机不同叶片形状对运转情况的影响，有利于提升轴流式水轮机的工作效率。本文将从这个角度出发，通过对比分析不同叶片条件下的水轮机中的水流特征和压力分布，找到提高轴流式水轮机效率的有效策略。

关键词：轴流式水轮机 进水边 叶片形状 性能影响

中图分类号：TK73 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2019）02-0-01

轴流式水轮机叶片的形状在长时间的实践应用中，不断的发生着变化，在最初的设计中，是根据同一轴面上叶片出水边的位置，以及叶片的形状和长度来设置进水边叶片。这种设计方式通常是将进水边与出水边放置在同一空间曲线上，这就导致轴流式水轮机在运行过程中，常常出现叶片断裂或者产生裂纹的情况。在国内的应用中，由于最优理论的提出，人们得到了理论上最优化的进水边叶片设计方式。在这一时期，我国的吴仲华先生提出的两种理论（S1，S2）被大量的运用到了水力机械设备的叶片设计中。时至今日，基于两种理论的水轮机叶片设计仍在被广泛的应用。虽然有一些变化，却也是在这两个理论基础上变形得来的。在那之后的发展中，由于计算流体力学（CFD）的不断创新和应用，轴流式水轮机叶片的形状几经调整，产生了多种不同的形状。同时，对于水轮机的寿命也能够通过计算空化磨损的方式来得出较为准确的预测。

一、轴流式水轮机叶片的传统设计方法

在轴流式水轮机运行的过程中，其内部水流的流动方式是极为复杂的三维流动方式。在计算流体力学（CFD）的理论基础上，我们在对轴流式水轮机进水边叶片进行设计时，通常要进行一下几个假设：第一，假设水流不具有粘性也不能够被压缩，是一种均质的液体；第二，假设在轴流式水轮机运转过程中，其内部液体中任何一点的压力、速度和密度都不会随着时间的变化而变化；第三，假设转轮区域内的水流的绝对速度径向分量为零，即 ；第四，满足圆柱层无关性假设。也就是说，在水轮机进水边叶片形状的设计中，要在默认上面四条假设的情况下进行。

1.升力法

在轴流式水轮机叶片形状的设计中，升力法是运用最早的一种方法。从流体力学的角度来看，在水轮机运转过程中，当水流围绕叶片流动时，水流与叶片之间必然会产生相互作用力，这一作用力分为两种，一种是垂直于水流进入方向的升力，另一种是平行于水流进入方向的阻力。基于这一现象，通过努阔夫斯基的升力理论，开创性的使用升力法设计了轴流式水轮机叶片的形状。升力法的具体计算方式为，在叶片的形状和尺寸以及安装角度不变的情况下，通过计算可以得出水流流过叶片时产生的作用力。这一计算方式是可逆的，也就是说，在已知叶片受力状况的情况下，通过计算能够得出叶片的尺寸和安装角度。在实际的实际过程中，还应将叶片的动力特性考虑在内，因此，升力法其实是一种理论与经验相辅相成的设计方式。

2.升力法的实际运用

在升力法的实际运用中，我们参照某水电站水轮机的一组数据来进行分析，如表1。

在表1中，A，B，C分别为三种不同的进水边叶片形状，通过分析表中数据我们可以发现，在截面数相同的情况下，不同叶片设计方案中的流量工况不同，在A，B，C三种设计方案中，B方案在小流量工况下的效率最优；A方案在最佳工况下和大流量工况下的效率最优；C方案在三种工况下的效率均弱于其他两种方案。同时我们还能发现，径向流量速度会随着截面数的增加而加快，当截面数为4时为最优，当截面数超过4时，效率明显下降。

表1中的数据是在具备三种不同形状叶片的情况下，通过设备运转实验收集到的数据，而升力法可以在既定径向流量和截面数的情况下，反向计算出叶片的规格参数。同样的，在已知叶片参数的情况下，也可以通过升力法计算出该叶片最适合运用于哪种流量工况中。

二、轴流式水轮機叶片的现代设计方法

现代科学技术的发展，特别是计算机技术的发展，使得轴流式水轮机叶片设计有了飞跃式的发展。在过去的设计中，设计过程通常依赖于手工，是一种静态的、随机的设计方式，受到经验和个人主观因素的影响。在现代设计理论体系中，在充分了解轴流式水轮机叶片运动规律的基础上，运用最优控制理论，结合计算机强大的运算能力进行的一种定量设计。它的优势是十分明显的。相比于传统的设计方式，它是一种动态的、科学的设计方法，避免了人为设计产生的误差和主观影响。所以，在近几年来，基于吴仲达先生的两种算法（S1，S2），出现了许多现代特色的设计理念，例如：奇点分布法。

在当前的应用中，奇点分部法能够有效解决叶栅绕流问题，是一种被广泛使用的方法。奇点分部法实质上是势流叠加法的一种实践应用，是在求解平面势流问题的过程中发展而来的。它的基本理论是，在设计轴流式水轮机叶片的过程中，通过对水轮机运转产生的势流中点窝、点汇、点源的集中分布数据，带入势函数和流函数进行解析，求解叶栅的绕流问题。在计算过程中，一般我们认为，如果叶片的厚度较小，那么可以用骨线来代替叶型，那么就可以用连续分布骨线的涡层来取代叶栅。而当求解对象为厚度较大的叶栅时，可以通过在叶片上分布涡、点、汇的方式，让其满足叶型边界为封闭流线的条件。相较于其它几种现代设计理念中的叶片设计方式，奇点分布法出现的较早，其具有比较严密的数学基础，在函数计算过程中容易收敛。因而它具有较高的精准度。但是在适用范围上，对于叶片较厚和绕度较大的叶片设计中还有一定的局限性，需要进一步完善。