水泵水轮机蜗壳设计

卜新魁

摘 要：本文简要介绍了水轮机蜗壳蛋形设计技术，并对蜗壳进行流体力学分析和数值模型研究。其间基于三维建模软件SolidWorks搭建了某款水轮机蜗壳的三维实体模型，并基于网格划分工具对其进行合理的网格划分，为后续蜗壳稳定性能的研究奠定基础。

关键词：水轮机;蜗壳;数值模型

中图分类号：TV734.1文献标识码：A文章编号：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

在国家经济发展与人们日常生活中，能源扮演着至关重要的角色，占据着不可替代的位置。工业革命至今，世界各国人口基数快速增长，科学技术与经济发展飞速前进，人们的生活水平也不断提高。因此，社会发展对能源的需求量呈现出指数增长的趋势。社会的快速发展及科学技术的不断进步，离不开环境能源的持续性供应。传统的化石能源被大力开采，造成化石能源资源紧缺，21世纪以来，国家开始了对清洁可再生能源的开发，寻求可替代化石能源的清洁能源，以缓解能源危机与环境问题。

1 概述

水电是一种清洁能源，水力发电的出现对我国电力行业的发展起到重要的缓解作用。20世纪90年代初至2010年，我国水利水电工程建设事业进入了黄金时期。我国先后建成数座世界级巨型水电站，水电装机容量显著提升。

近年来，随着水利工程的快速建设，水存量大的河流湖泊已经基本开发完毕。随着经济的发展，小型水电站的开发火热进行，能够满足当地企业和居民的用电需求。小型水电站的水容量较小，随着季节的变化，水库水位不断变化，稳定性不强。在水库水头、水流量和水轮机转速固定的情况下，水轮机才会出现最优的工作环境，此时，其运行效率达到最高。因此，水头的状态与转速对水轮机最高效率有直接影响。传统的水轮机组转速与电网频率同步且无法进行实时调节，而且无法长时间在最优工况下工作;采用全功率变流器组件驱动的水轮机组，可以实现转速调节，获得最高的工作效率，提高水能利用效率。在应对电力系统负荷变化工况时，传统的水轮机组对输入功率的调节能力较弱，难以实现快速反应和调节，无法满足电网快速、精确地调节電力系统频率的要求。

水轮机组的稳定性能是水电站正常运行的关键因素，特别是高水头水电站的水轮机组，其蜗壳强度及稳定性能更是决定水泵稳定运行的根本[1-3]。本文对市场上的可逆水轮机蜗壳进行设计研究时发现，其设计方法与实际工况对水泵性能的多样化要求相比，存在或多或少的问题。

因此，本文为解决水轮机运行工况条件下蜗壳对水轮机与水泵的兼容问题，依据传统水轮机蜗壳的设计方法，提出运用蛋形耐压蜗壳的仿生技术进行蜗壳设计。

2 蛋壳仿生技术

本文基于蛋形耐压蜗壳仿生技术对某款高水头水轮机蜗壳截面进行三维设计与数值分析，并搭建了按照水泵设计蜗壳、按水轮机设计蜗壳以及D型耐压水轮机蜗壳三种方法设计的蜗壳截面三维实体模型[4-5]。其间基于CFD仿真工具Hypermesh软件对水轮机部件的三维模型进行结构化网格划分，对比三种设计方法，以寻找适合水轮机蜗壳设计的合理方案。

2.1 控制方程

本文研究水轮机蜗壳在工作条件下的稳定性能，涉及复杂的流体动力学问题。由于流体机械内流动特点及流场特性的多样化，本文基于国内外流体动力学研究所普遍采用的计算流体力学技术，以计算机技术为基本，对水轮机蜗壳设计所需的动力学方程进行数值模拟与分析。质量守恒方程为：

式中，[v]为黏性系数;[fx]为[x]轴方向的雷诺平均速度分量，m/s;[fy]为[y]轴方向的雷诺平均速度分量，m/s;[fz]为[z]轴方向的雷诺平均速度分量，m/s。

2.2 水轮机蜗壳建模

本文基于SolidWorks三维建模软件，建立了水轮机内过流部件的三维实体模型，并采用CFD仿真工具Hypermesh软件进行了网格划分。首先绘制水轮机蜗壳截面草图，以此形成蜗壳各个断面的型线，然后以断面型线为基础，构造蜗壳三维实体模型。蜗壳三维几何模型如图1所示。

根据某款水轮机组的设计参数对该水轮机蜗壳尺寸进行计算，水轮机数值计算模型与水轮机蜗壳网格示意图如图2、图3所示。

3 结论

在不同工况条件下，水轮机运行时对蜗壳的性能要求不同。本文对蜗壳进行三维建模并进行了合理的网格划分，为研究水轮机蜗壳在不同工况下的稳定性能及耐久性奠定基础，并提出了基于蛋形耐压蜗壳仿生技术的D型蜗壳设计方法。

参考文献：

[1]廖伟丽，李建中.水轮机蜗壳内流动的数值研究[J].西安理工大学学报，2002（1）：5-9.

[2]阳芳.大型水电站水轮机蜗壳结构研究[D].武汉：武汉大学，2004：22-23.

[3]曹树良，许国.水轮机蜗壳和固定导叶内部三维紊流流场数值研究[J].工程热物理学报，1998（5）：586-589.

[4]辛喆，张兰金，常近时.混流式水轮机蜗壳与座环三维中湍流场的数值模拟[J].水动力学研究与进展，2004（6）：713-718.

[5]李泽，张小艳，张立翔，等.基于流固耦合方法的水轮机蜗壳结构振动及损伤机理研究[C]//南方计算力学学术交流会.2013.