混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪X型葉片的水力特性

1、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)2002, 7(4 :4347Jour nal o f China Ag ricultur al U niv er sity 混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪X 型葉片的水力特性周凌九(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院 王正偉(清華大學(xué)收稿日期:20020122摘要X 型葉片作為國外先進(jìn)水輪機(jī)設(shè)備的關(guān)鍵部件, 對(duì)其結(jié)構(gòu)和水力特性的研究是很有必要的。在反復(fù)設(shè)計(jì)和計(jì)算的基礎(chǔ)上, 摸索和總結(jié)出一些X 型葉片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和水力特性。分析表明, X 型葉片的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為:葉片進(jìn)口均有“負(fù)傾角”, 靠近上冠處翼形為負(fù)曲率。同時(shí), 為適應(yīng)能量轉(zhuǎn)換和出口條件的要求, 葉片出水邊不在軸面上, 而成一空間曲線。由于

2、X 型葉片的以上特點(diǎn), 使葉片間流道內(nèi)液體的流動(dòng)趨于順暢均勻, 消除了常規(guī)葉片正面常見的“橫流”現(xiàn)象, 減輕了葉片近下環(huán)處的負(fù)荷集中, 在提高水輪機(jī)的運(yùn)行效率、增加過流量和改善轉(zhuǎn)輪空化性能, 及轉(zhuǎn)輪受力狀況等方面都有較大潛力。關(guān)鍵詞混流式水輪機(jī); X 型葉片; 水力性能中圖分類號(hào)T K 730. 323; T K 733. 1Hydraulic Performance of X -type Blade Usedin France TurbineZho u Lingjiu 1, Wang Zheng w ei2(1. C ollege of W ater Cons ervancy and C i

3、vil E ngineering , China Agricultural University, Beijing 100083, C hina;2. T singh ua University , Beijin g 100084, China Abstract X-type blade is a new concept of runner desig n. The analy sis and r esults on X-type blade based o n numerical sim ulation w er e dev elo ped. It w as identified that

4、X-type blade inlet has a negative blade angle , special profiles near cro wn and outlet edg e not ly ing on meridian plan. Fluid flow ing benefit fro m abo ve geometric feature and tend to be m ore fluent and ev enly distributed. “Cross flo w ”o ften observed in conventional blade pressure side is r

5、emov ed under mo st conditions . Load across blade fr om cr ow n to band is balanced . All these characteristics sho w ed that X -type blade has potentials in impr oving efficiency , increasing discharge o r improv ing cav itation perform ance and g iv ing better str ength condition.Key words fr anc

6、is turbine; X-type blade; hydraulic perform ance隨著水輪機(jī)制造技術(shù)的發(fā)展, 尤其是五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床等先進(jìn)制造設(shè)備的引進(jìn)和使用, 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片的生產(chǎn)手段和方式較傳統(tǒng)的有了很大的改進(jìn)。在混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片的設(shè)計(jì)中, 一種新型的葉片逐漸引起人們的重視, 這就是所謂的X 型葉片1。X 型葉片為國外先進(jìn)水輪機(jī)設(shè)備的關(guān)鍵部件, 其技術(shù)具有保密性, 在專業(yè)文獻(xiàn)中很難找到相關(guān)的設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)技術(shù)。為此, 作者在對(duì)少量國外文獻(xiàn)進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上, 經(jīng)過大量的設(shè)計(jì)計(jì)算, 摸索和總結(jié)出一些X 型葉片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和水力特性。1混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪X 型葉片的設(shè)計(jì)思想在X 型葉

7、片的設(shè)計(jì)思想中, 一個(gè)主要的思路是, 充分利用流道空間, 使葉片表面的壓力分布盡量均衡。傳統(tǒng)葉片由于葉片加工方法和葉片設(shè)計(jì)思想的約束, 往往出現(xiàn)葉片近上冠和近下環(huán)的流道內(nèi)流量和壓力分布不均:一般近上冠處葉片的負(fù)荷較小, 而在近下環(huán)處負(fù)荷很大, 這不僅使葉片的受力特性變差, 還使轉(zhuǎn)輪的過流量不易提高, 同時(shí), 在轉(zhuǎn)輪葉片背面近下環(huán)處容易發(fā)生空化現(xiàn)象。有關(guān)葉片設(shè)計(jì)中, 使壓力分布均衡化的技術(shù)文獻(xiàn)最早集中于如何合理設(shè)計(jì)翼形形狀。主要體現(xiàn)在, 采用二元理論設(shè)計(jì)方法時(shí), 如何合理選擇葉片上的環(huán)量分布, 以及在進(jìn)行葉片骨線加厚的過程中, 如何選取葉片的厚度分布等方面。從均衡化的角度而言, 以上技術(shù)僅解決了

8、從葉片進(jìn)口到出口這一方向上壓力的均衡問題。如果將葉片上的壓力分布看做一個(gè)空間問題, 那么, 均衡化應(yīng)該不只體現(xiàn)在從葉片進(jìn)口到出口這一方向上, 還應(yīng)同時(shí)體現(xiàn)在從上冠到下環(huán)的方向上。就筆者查閱的資料來看, 文獻(xiàn)2對(duì)這一問題的研究進(jìn)行了詳細(xì)報(bào)道。在這篇文獻(xiàn)中提出了“葉片傾角”(blade lean 的概念。在X 型葉片設(shè)計(jì)中, “葉片傾角”成為一個(gè)十分關(guān)鍵的參數(shù)。“葉片傾角”的正負(fù)和大小與葉片上從上冠到下環(huán)方向上的負(fù)荷分布密切相關(guān)。由于X 型葉片采用了所謂“負(fù)傾角”, 使其結(jié)構(gòu)與常規(guī)葉片有較大差別。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。1 葉片傾角。X 型葉片采用“負(fù)傾角”。從進(jìn)口看去, X 型葉片的進(jìn)口邊與出口

9、邊成X 型交叉。為比較起見, 圖1同時(shí)給出了X 型葉片轉(zhuǎn)輪與常規(guī)轉(zhuǎn)輪的立體效果及葉片傾角示意。可以看到, 由于采用了葉片“負(fù)傾角”, X 型葉片的近上冠處翼形與常規(guī)葉片有較大區(qū)別。(a X 型葉片(b 常規(guī)葉片圖1X 型葉片轉(zhuǎn)輪及常規(guī)葉片轉(zhuǎn)輪的立體效果及葉片傾角2 葉片上冠。由圖1(a 可見, X 型葉片的近上冠部分向外凸鼓, 而常規(guī)葉片在整個(gè)葉片區(qū)域, 葉片形狀為內(nèi)凹形狀。正是這種看似扭曲的X 型葉片形狀, 消除了葉片正面的橫流, 從而使葉片上的壓力分布更加均勻。3 葉片出水邊。常規(guī)葉片為了滿足傳統(tǒng)加工技術(shù)的要求, 一般將葉片出水邊放在同一個(gè)軸面上形成加工基準(zhǔn)。這種約束在較大程度上制約了設(shè)計(jì)

10、者對(duì)出口邊形狀和出口流態(tài)的調(diào)整, 從而限制了轉(zhuǎn)輪的形狀和性能。X 型葉片出水邊為一空間曲線, 可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)出水邊進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整, 使葉片上壓力均布, 出口流態(tài)更合理。44中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)2002年2X 型葉片的水力特性2. 1水力性能研究方法為研究X 型葉片的水力性能, 采用先進(jìn)的CFD 技術(shù)計(jì)算了同一比轉(zhuǎn)速系列的常規(guī)水輪機(jī)和X 型葉片水輪機(jī)的內(nèi)部三維黏性流場(chǎng)。在計(jì)算中, 采用了RNG k E 湍流模型(r enorm alization g roup based k E model , 同時(shí)利用SIM PLEC 方法(Consistent Semi -implicitmethod for

11、 pressure-linked equatio n 實(shí)現(xiàn)了連續(xù)方程與動(dòng)量方程的耦合, 采用四面體非結(jié)構(gòu)型網(wǎng)格劃分計(jì)算區(qū)域, 采用有限體格式對(duì)上述方程進(jìn)行離散。變量儲(chǔ)存在控制體中心。其中, 動(dòng)量方程的對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)差分格式, 擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分格式, 由于離散中要求控制面上的壓力值, 對(duì)壓力項(xiàng)采用動(dòng)量方程系數(shù)為權(quán)重系數(shù)進(jìn)行插值。以上計(jì)算方法經(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證是可靠的3。2. 2轉(zhuǎn)輪內(nèi)的流態(tài)(aX 型葉片(b 常規(guī)葉片圖2X 型葉片與常規(guī)葉片正面流態(tài)從流態(tài)來說, X 型葉片的最大特點(diǎn)是, 大部分工況區(qū)消除了葉片正面的橫流, 從而使上冠進(jìn)口處基本沒有脫流, 圖2為X 型葉片與常規(guī)葉片正面的速度矢量

12、圖。可見, 在常規(guī)葉片正面靠近上冠區(qū)域, 在進(jìn)口邊附近1/4的葉片寬度內(nèi)有明顯的橫流(從上冠指向下環(huán)的流動(dòng) , 而且一些實(shí)際觀察表明, 即使在設(shè)計(jì)工況附近, 常規(guī)葉片正面也有橫向流動(dòng)。而X 型葉片上的流動(dòng)基本上是從進(jìn)口流向出口, 在大部分工況下, 葉片上基本消除了橫流。圖3為2種葉片近上冠處的流態(tài)?？梢钥吹? 常規(guī)葉片橫向存在流動(dòng)與上冠進(jìn)口處的局部漩渦有密切關(guān)系。由于這種流態(tài)的存在, 一方面使大部分流量向下環(huán)區(qū)域集中, 使下環(huán)區(qū)的流速增加, 負(fù)荷加重; 另一方面, 流過轉(zhuǎn)輪內(nèi)的水流在流態(tài)調(diào)整過程中產(chǎn)生了能量消耗,使水力損 (a X 型葉片(b 常規(guī)葉片圖3X 型葉片與常規(guī)葉片近上冠處流態(tài)45第

13、4期周凌九等:混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪X 型葉片的水力特性失增加。而X 型葉片由于采用了“負(fù)傾角”, 同時(shí)葉片上冠型線更加合理, 葉片間的流動(dòng)順暢, 速度和負(fù)荷分布趨于均勻。2. 3葉片正背面壓力分布在設(shè)計(jì)點(diǎn)附近, 2種葉片的壓力等值線見圖4。為了更清楚地說明負(fù)荷分布情況, 圖5分別示出2種葉片近上冠處和近下環(huán)處的壓力分布?？梢? X 型葉片從上冠到下環(huán), 從進(jìn)口到出口, 正背面的壓力分布很均勻。而對(duì)常規(guī)葉片來說, 由于葉片正面橫流的影響, 負(fù)荷主要集中在近下環(huán)區(qū)域, 且葉片尾部負(fù)荷加重, 這使得常規(guī)葉片在同樣流量情況下, 葉片出口背面處的壓力很低, 容易在該區(qū)域形成空化破壞。(a X 型葉片(b 常

14、規(guī)葉片圖4X 型葉片與常規(guī)葉片正、背面 等壓線(a X 型葉片近上冠(b X 型葉片近下環(huán)(c 常規(guī)葉片近上冠(d 常規(guī)葉片近下環(huán)圖5X 型葉片與常規(guī)葉片在近上冠及近下環(huán)翼形上的壓力分布從以上分析來看, X 型葉片在提高轉(zhuǎn)輪過流量、改善空化性能等方面是很有潛力的。2. 4轉(zhuǎn)輪葉片的力特性由于X 型葉片壓力分布特點(diǎn), 使其受力趨于合理, 這主要體現(xiàn)在2個(gè)方面。1 混流式轉(zhuǎn)輪葉片和下環(huán)一起可看做固定在上冠處的懸臂受力結(jié)構(gòu)。對(duì)常規(guī)葉片而言, 由于負(fù)荷趨于向下環(huán)集中, 使得葉片上合力作用點(diǎn)靠近下環(huán), 到葉片上冠根部的力臂較大, 從而46中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)2002年部的力臂較小, 從而使得葉片根部應(yīng)力值相

15、對(duì)減小。2 X 型葉片具有外凸的上冠翼形, 相對(duì)常規(guī)葉片內(nèi)凹的上冠翼形而言, 葉片根部(上冠處 的受力方式發(fā)生了改變, 這也使葉片根部應(yīng)力從進(jìn)口到出口分布更加趨于均勻。3結(jié)論X 型葉片的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為:葉片進(jìn)口具有“負(fù)傾角”, 同時(shí), 靠近上冠處翼形為負(fù)曲率。為適應(yīng)能量轉(zhuǎn)換和出口條件的要求, 葉片出水邊不在軸面上, 而是一空間曲線。X 型葉片的以上特點(diǎn), 使其表現(xiàn)出良好的水力性能, 主要體現(xiàn)在以下幾方面。1 葉片間流道內(nèi)的流動(dòng)趨于順暢, 消除了常規(guī)葉片正面常見的“橫流”現(xiàn)象, 有利于提高水輪機(jī)的運(yùn)行效率。2 轉(zhuǎn)輪內(nèi)的流動(dòng)更加均勻, 負(fù)荷分布趨于均勻, 減輕了葉片近下環(huán)處的負(fù)荷集中, 有利于提高轉(zhuǎn)輪的過流量和改善轉(zhuǎn)輪的空化性能。3 由于葉片上的受力更加均勻以及葉片上冠的特殊形狀, 使得這種葉片的受力趨于合理, 減少了葉片根部的應(yīng)力集中。使轉(zhuǎn)輪具有較好的受力特性。以上分析僅限于對(duì)能量、空化和受力等特性的理論研究。在此基礎(chǔ)上, 進(jìn)一步進(jìn)行X 型葉片進(jìn)出口幾何參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)輪出口流態(tài)以及運(yùn)行