CFD和FEA在混流式水轮机转轮叶片局部改型中的应用

高健　刘晓娟

摘要：国内外大型水轮机企业都有雄厚的技术实力，各个水头断均有优秀的转轮。但是每一个电站的水文特性不尽相同，转轮在一般情况下不能直接套用。针对部分直接套用后的转轮，出现能量特性、空蚀性能、水利稳定性下降的情况，从转轮优化改型安全性和成本控制考虑，利用CFD和FEA技术对转轮叶片进行局部优化，是一种比较经济和安全的设计方案。

关键词：CFD;有限元分析;刚强度;混流式水轮机

一、前言

五一桥水电站HLA575C转轮，为上个世纪90年代研制的老型号转轮。由于该转轮在五一桥水电站投运之初，并未经流场分析与转轮刚强度计算，转轮不可避免地在水力设计上存在一些缺陷，导致转轮在运行之中出现过多次叶片裂纹和脱块现象。鉴于此，五一桥公司通过CFD技术，结合有限元分析，对HLA575C转轮及通流部件的内部流场结构、转轮刚强度、转轮动力特性进行计算，提出了转轮叶片局部改型的优化方案。既在原转轮木模图基础上，保持转轮叶片主体型线不变，并结合CFD技术对转轮结构进行优化，将转轮叶片做局部增厚和叶片出水边三角区适当延长;同时利用有限元分析技术，验算改型后的转轮刚强度与动力特性是否满足设计要求，以提高轉轮的性能指标。

二、转轮CFD流动分析

2.1叶片增厚方案

HLA575C转轮叶型改造基于原型号木模图进行，叶片主体形线没有改变，仅是进行了局部强化处理。叶型强化主要对叶片正面后1/3部分进行了增厚处理，并对头部背面进行了局部加厚，最大增厚约4mm～6mm。

2.2三角块增强工艺

理论及实践证明，转轮出口加装三角块，对消除上冠下环三角区应力集中有显著作用。该工艺方案能够有效增强叶片强度，抵抗转轮出口涡带摆动带来的动应力，大幅减少叶片发生裂纹的几率。五一桥水电站HLA575C转轮三角块厚度由原来出水边理论厚度7mm增加到14mm左右，三角块沿流线方向长30mm，宽50mm。

2.3计算工况点及方法

HLA575C转轮的模型综合特性曲线，最优工况点单位转速n11≈67.2r/min，单位流量Q11≈470L/s。五一桥转轮改型方案仅是加强处理，没有翼型优化，要维持其原有水力性能，只需要校核其最优工况转轮出口流速分布、内流态、叶片表面压力分布、负荷分布等维持原有规律即可。

HLA575C转轮仿真计算采用的是单通道水力模型相对比较方法，即在同样的导叶开度下，通过给定总压进口、均压出口和最优单位转速时水轮机转速，求解最优单位流量，通过流量、效率、压力、环量等特征参数相对比较，即可判断叶型局部加厚后，设计工况有无漂移，水力特性有无变化。

2.4仿真计算

（1）定量结果

表1为定量计算结果。可以看出，在同一导叶开度下同一单位转速67.2r/min，改造转轮单位流量比原转轮小0.44L/s，相对效率低0.01%，这一结果符合预期，是叶片局部增厚后过流能力减小，摩擦阻力增大的正常结果。

（2）转轮出口流速分布

图1为转轮出口流速分布。可以看出，改造前后转轮出口环量（绿色）分布基本一致，且改造后出口轴向流速（红色）更为均匀。说明转轮的出口流态没有大的变化，且有向好趋势，尾水管能量回收、叶片进口背面压力分布、叶片表面的局部脱流都会比原来更好。

（3）叶片负荷曲线

图2为转轮叶片负荷分布。可以看出，改造前后负荷分布规律基本一致，且叶片头部背面增厚后，减缓了叶片头部背面压力突变，减小了强冲击，更有助于高水头叶片的稳定性。

（4）叶片压力分布

图3为转轮叶片表面压力分布。可以看出，改造前后转轮叶片正背面压力分布基本一致，且叶片光滑处理后压力梯度更均匀，有助于内部稳定做功。

（5）转轮内流场

图4为转轮内部流场。可以看出，改造前后转轮内部流线分布几乎完全一致，说明转轮内部流场没有变化，转轮改造前后的水力特性应该基本一致。

通过定量计算和校核工况计算，局部加厚和三角区适当延长前后，转轮的过流能力和效率没有明显变化。图1～图4对比可以看出，在最优工况增厚前后，转轮出口流速分布、叶片压力分布、负荷曲线、内部流场都没有明显变化。因此，叶片增厚方案不会对原转轮的水力特性带来有害影响，原模型综合特性不会发生较大变化。

三、转轮改型刚强度分析

3.1计算工况及载荷

五一桥转轮改型通过有限元法，借用ANSYS分析程序，对转轮的刚强度及动力特性进行了计算与分析，计算工况点包括：飞逸工况、额定水头工况、最大水头工况。载荷条件包括离心载荷、重力载荷和压力载荷。

3.2计算模型及边界条件

五一桥转轮计算模型，采用的整体转轮结构。有限元分析中，采用ANSYS三维实体单元 （SOLID186） 对结构进行离散，通过接口程序建立由水力设计提供的水压力数据。边界条件按实际情况对计算模型进行边界处理。

3.3应力考核标准及分析结论

根据计算结果，转轮在预期的最大荷载条件下正常运行时，各部位最大应力未超过材料屈服极限的1/5 （ 116MPa ）;在最高飞逸转速时，最大应力未超过材料屈服极限的2/5 （ 232MPa ） ，证明五一桥改型转轮的结构设计满足强度要求。

四、转轮改型动力特性计算

五一桥转轮改型采用流固耦合的方法对转轮进行水下固有频率分析。转轮上冠与主轴把合面进行全自由度固定约束，结构与水体接触面设置流固耦合边界条件。

转轮水下主要固有频率计算结果、振型情况，与机组可能的激振频率对比，其结构均避开了激振源频率，具有良好的动力特性，不会产生共振。

五、结语

五一桥水电站HLA575C转轮自投运以来，一直存在叶片进水边气蚀、出水边频发裂纹和脱块的现象。通过CFD和FEA技术，采用较为保守的叶片局部改型方案，成功解决了上述问题。并在机组运行中，实际检验了机组振动情况较改造前得到提升，转轮出力和机组效率未发生下降，转轮也未再出现裂纹。说明叶片局部增厚和加装三角块工艺，在保持原有水力特性的基础上，可以有效增强原转轮的刚强度，能够防治叶片掉块等原发性问题。

参考文献

[1] 中国电力出版社，《中国电力百科全书+水力发电卷》[G]，水电站机电部分，水轮机部件。