葉片葉片轉(zhuǎn)軸性能的試驗(yàn)研究

葉片葉片轉(zhuǎn)軸性能的試驗(yàn)研究

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展和地表徑流研究的深入，液體動力學(xué)（cpd）技術(shù)在車輪水流設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。cpd技術(shù)的使用不僅提高了車輪設(shè)計(jì)的精度和準(zhǔn)確性，而且大大超過了車輪的剛性標(biāo)準(zhǔn)。進(jìn)入21世紀(jì)以來，國內(nèi)、外各廠商已將三維粘性流動的CFD技術(shù)推廣應(yīng)用于軸流轉(zhuǎn)漿式轉(zhuǎn)輪的設(shè)計(jì)中。然而，值得注意的是在進(jìn)行軸流轉(zhuǎn)輪葉片的CFD時，轉(zhuǎn)輪葉片水力設(shè)計(jì)的質(zhì)量將直接影響到后續(xù)的流動計(jì)算，盡管流動計(jì)算結(jié)果為修改轉(zhuǎn)輪葉片設(shè)計(jì)提供了很多方便，但如果初始轉(zhuǎn)輪的設(shè)計(jì)質(zhì)量不盡人意，僅靠流動計(jì)算結(jié)果來修改葉型是很難達(dá)到最滿意的結(jié)果的。因此，為了使CFD技術(shù)發(fā)揮更大的作用，就必須提高轉(zhuǎn)輪葉片的最初設(shè)計(jì)質(zhì)量，就必須清楚葉片參數(shù)與轉(zhuǎn)輪性能的內(nèi)在關(guān)系，以保證轉(zhuǎn)輪的最終設(shè)計(jì)質(zhì)量和成功率。影響水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪水力性能的參數(shù)很多，不僅有結(jié)構(gòu)方面的參數(shù)，而且有水力方面的參數(shù)，關(guān)于這方面的研究及取得的成果已有很多，但隨著CFD技術(shù)在軸流式轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)中使用的愈加成熟，以前一些未涉及或涉及較少的葉片參數(shù)與轉(zhuǎn)輪性能的內(nèi)在聯(lián)系已變得相當(dāng)重要，它將直接影響到轉(zhuǎn)輪性能的進(jìn)一步提高。為此，本文在總結(jié)了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及CFD計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，探討了這些參數(shù)與轉(zhuǎn)輪性能的關(guān)系規(guī)律，并提出了轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)時這些參數(shù)的選取原則及方法。1軸流齒輪出水邊的設(shè)計(jì)及結(jié)果分析對軸流式轉(zhuǎn)輪葉片水力設(shè)計(jì)而言，當(dāng)利用CFD技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)時，首先是要確定轉(zhuǎn)輪流道的形狀和CFD計(jì)算的邊界條件。也就是要首先確定轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)和一些水力參數(shù)及轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)、出水邊的形狀等。然而，在目前的許多設(shè)計(jì)中，由于制造及其他原因，我國軸流式轉(zhuǎn)輪葉片的進(jìn)、出水邊形狀仍沿用前蘇聯(lián)的一些設(shè)計(jì)方法，即葉片出水邊放在同一軸截面內(nèi)，而進(jìn)水邊則根據(jù)翼型的長短和位置放在一個光滑的空間曲線上。值得注意的是，這種形式的葉片出水邊將帶來許多缺點(diǎn)：(1)由于出水邊在同一軸截面內(nèi)（即水平投影在同一射線上），而使葉片成為一個扇形形狀，在大流量工況時，葉片輪緣同出水邊的交角區(qū)域已經(jīng)超出轉(zhuǎn)輪室的喉口部位而深入到尾水錐管中，此區(qū)域水流的離心運(yùn)動增大，水流急速擴(kuò)散，流速分布極不均勻。CFD的計(jì)算結(jié)果表明，此時葉片背面等流速線向此尖角處擴(kuò)散（見圖1）；(2)由于葉片外圓為球體，當(dāng)該交角區(qū)域深入到尾水管中時，此處葉片外緣的間隙很大，轉(zhuǎn)輪的容積損失及脫流損失也急劇增大，致使轉(zhuǎn)輪的水力效率降低且空蝕大大加重。(3)輪緣同出水邊的交角區(qū)域深入到尾水管中，而受到尾水管中壓力脈動的影響，使該部位受到周期性的機(jī)械撞擊，容易產(chǎn)生疲勞破壞及葉片抖動，很多已運(yùn)行的電站發(fā)現(xiàn)該交角處容易產(chǎn)生裂紋及斷裂就是這個原因。近幾年來，我國很多制造廠商及電站已逐漸認(rèn)識到這個問題，并借鑒了前蘇聯(lián)的坎涅夫斯克、烏斯奇—漢達(dá)依斯克、卡姆斯克、伏特金等電站切割葉片出水邊的成功經(jīng)驗(yàn)，對葉片輪緣與出水邊的交角處進(jìn)行了切割。運(yùn)行實(shí)踐證明，這種切割沒有使電站水輪機(jī)的效率、出力及振動惡化；同時這種切割可將相對應(yīng)力最大值前移到葉片較厚的位置，從而提高了葉片的可靠性。這些經(jīng)驗(yàn)說明，將葉片出水邊放在同一軸截面內(nèi)是不科學(xué)的。隨著CFD技術(shù)在軸流轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，我們對葉片進(jìn)、出水邊的曲線形狀進(jìn)行了大膽的改進(jìn)，適當(dāng)減小葉片輪緣部分的葉柵比（l/t）值，增加葉片輪轂部分的葉柵比（l/t）值，將葉片進(jìn)、出水邊設(shè)計(jì)成光滑的弧線形狀（在水平投影中），使葉片的進(jìn)、出水邊都處在不同的軸截面內(nèi)，保持葉片平均葉柵比值和葉片總的面積值基本不變。這樣不僅可使葉片背面的流速分布更加均勻，使轉(zhuǎn)輪的效率和空化性能提高，而且可使葉片主要過流區(qū)的磨擦損失、端部損失（包括脫流損失和容積損失）大大降低，使大流量工況及額定工況的效率大大提高。CFD計(jì)算表明，葉片出水邊設(shè)計(jì)成弧線形后，水流向輪緣和出水邊交角區(qū)域的擴(kuò)散明顯改善，葉片正、背面的流速分布趨向均勻（見圖2），正背面的壓力梯度減少，轉(zhuǎn)輪性能明顯提高。這種設(shè)計(jì)方法在D179a、D231、D232等轉(zhuǎn)輪中得到了很好的應(yīng)用，取得了良好的效果。2葉片轉(zhuǎn)軸的位置當(dāng)葉片進(jìn)、出水邊的形狀確定以后，葉片轉(zhuǎn)軸及軸線位置將變得相當(dāng)重要，這個問題也是CFD計(jì)算很難解決的參數(shù)問題。在以前的設(shè)計(jì)中，人們往往忽略了這個問題。近年來的研究表明：葉片轉(zhuǎn)軸特別是軸線與葉柵的相對位置不僅影響到葉片轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)的布置及葉片回轉(zhuǎn)力矩的大小，而且也影響到轉(zhuǎn)輪的水力性能。因?yàn)樵谶M(jìn)行葉片設(shè)計(jì)時，網(wǎng)格劃分都是按流線進(jìn)行的，由于水流的粘性作用，靠近葉片表面區(qū)域的邊界層中水流的相互影響增加，如果葉片軸線與葉柵相對位置設(shè)計(jì)不當(dāng)將可能在流線方向和葉片徑向產(chǎn)生水躍或較大的水流紊亂，這將嚴(yán)重的影響轉(zhuǎn)輪的水力效率。根據(jù)我們的研究發(fā)現(xiàn)，葉片轉(zhuǎn)軸線同葉柵的相對關(guān)系應(yīng)該是：在輪轂斷面處軸線應(yīng)盡量通過翼型的骨線，而輪緣斷面處軸線應(yīng)在翼型實(shí)體的上方，即從輪轂到輪緣各斷面翼型骨線相對葉片軸線成一傾斜形狀（見圖3）。這種設(shè)計(jì)不僅有利于提高轉(zhuǎn)輪的效率，而且強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果表明它有利于改善葉片的應(yīng)力分布和應(yīng)力水平。從D179及D179a轉(zhuǎn)輪的對比試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，各斷面翼型骨線相對轉(zhuǎn)軸軸線成傾斜狀后，轉(zhuǎn)輪額定點(diǎn)的效率提高了0.6%，同時這種設(shè)計(jì)方法在D231、D232轉(zhuǎn)輪中也有很好的應(yīng)用。葉片轉(zhuǎn)軸位置的選擇應(yīng)由葉片操作力矩及轉(zhuǎn)輪水力性能兩個方面來考慮，轉(zhuǎn)軸的位置必須使葉片向開與關(guān)的方向轉(zhuǎn)動時具有相近的水力矩。試驗(yàn)表明，對于稀疏葉柵（l/t≤0.6），葉片轉(zhuǎn)軸應(yīng)在距翼型頭部約0.35L處（以葉片中間端面為準(zhǔn)）；而對于稠密葉柵（l/t≥1.3），葉片轉(zhuǎn)軸應(yīng)在距翼型頭部約0.45L處。一般情況下，葉片轉(zhuǎn)軸應(yīng)使進(jìn)、出水邊到中心線的弦長比的比值在0.35～0.45之間為宜。3軸流式織物的厚度設(shè)計(jì)水輪機(jī)的設(shè)計(jì)理論中均假定葉片無限多和無限薄。隨著CFD技術(shù)的出現(xiàn)及邊界層理論研究的深入，在轉(zhuǎn)輪的水力設(shè)計(jì)中已經(jīng)可以考慮葉片的排擠及水流的粘性，但葉片厚度及變化規(guī)律仍是影響轉(zhuǎn)輪性能的決定因素，僅靠CFD計(jì)算所獲得的葉片表面附近的速度及壓力分布很難解決這個問題，因?yàn)槿~片的厚度改變了轉(zhuǎn)輪中液流的流動狀態(tài)及規(guī)律，而K-ε邊界層的一些假設(shè)在預(yù)測有厚度的葉片造成的附加旋渦及脫流方面存在困難，對于非設(shè)計(jì)工況更是如此。那么最理想的方式仍是無厚度葉型，但這在強(qiáng)度上是絕對不允許的；強(qiáng)度計(jì)算表明，軸流式水輪機(jī)葉片的最大應(yīng)力點(diǎn)一般出現(xiàn)在葉片法蘭處或葉片法蘭的下游側(cè)到出水邊與輪緣交角的區(qū)域，這就為人們優(yōu)化葉片厚度提供了可能。當(dāng)前的最新設(shè)計(jì)理念是，將葉片頭部設(shè)計(jì)成從正、背面兩邊逐漸減小的“魚頭”形狀，葉片沿翼型方向的厚度變化較為平緩，同時為了提高效率可以適當(dāng)減小葉片的最大厚度；那么對于由此所引起的強(qiáng)度問題如何解決呢？解決的辦法就是在葉片輪轂端面增加凸邊（見圖4），這種方法可使葉片的應(yīng)力水平大大提高，同時最高應(yīng)力點(diǎn)的應(yīng)力水平降低，應(yīng)力分布更趨合理。4葉柵金屬結(jié)構(gòu)葉柵稠密度（l/t）是轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)及改型時的重要參數(shù)之一，它不僅影響著轉(zhuǎn)輪比轉(zhuǎn)速的大小，而且直接影響著轉(zhuǎn)輪水力效率的高低、最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速的大小和過流能力的強(qiáng)弱；同時也是決定轉(zhuǎn)輪空化性能好壞的重要因素之一。在一定的來流條件和一定的葉片安放角時，葉片的葉柵稠密度（l/t）必須滿足能量轉(zhuǎn)換條件，葉柵稠密度減小將導(dǎo)致水流相對速度增加及葉柵偏轉(zhuǎn)水流的能力降低，使轉(zhuǎn)輪的水力效率降低，所以葉柵稠密度（l/t）不能過?。坏╨/t）的值過大，則葉片阻力損失增加，同樣使轉(zhuǎn)輪的水力效率降低。因此，對于一定比轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)輪，其葉柵稠密度有一個最佳值，此時葉片的各種損失之總和最小，轉(zhuǎn)輪的水力效率最高。但以前設(shè)計(jì)時，普遍重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的是葉片的平均葉柵比（l/t)cp與轉(zhuǎn)輪性能的關(guān)系，很少注意到各段面（或流線）葉柵比沿葉片半徑方向的分布。我們最近的研究發(fā)現(xiàn)：在轉(zhuǎn)輪平均葉柵比大致相同的條件下，各條流線上葉柵比的分布規(guī)律直接影響到轉(zhuǎn)輪的水力性能。KV4轉(zhuǎn)輪和D179a轉(zhuǎn)輪葉柵比沿半徑方向的分布曲線見圖5。5葉片參數(shù)對齒輪性能的影響計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）技術(shù)在轉(zhuǎn)輪水力設(shè)計(jì)中的推廣和使用，極大地克服了以往設(shè)計(jì)中的盲目性，縮短了轉(zhuǎn)輪的開發(fā)周期，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量。但值得注意的是，如果最初的轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)質(zhì)量不盡人意，僅靠CFD計(jì)算來修改葉型設(shè)計(jì)是很難達(dá)到滿意結(jié)果。因此，要提高轉(zhuǎn)輪的設(shè)計(jì)質(zhì)量就必須清楚葉片參數(shù)與轉(zhuǎn)輪性能的內(nèi)在關(guān)系，特別是以前研究不多的一些參數(shù)。(1）將葉片進(jìn)、出水邊設(shè)計(jì)成光滑的弧線形狀，使葉片的出水邊處在不同的軸截面內(nèi)，不僅可以減小葉片主要過流區(qū)的磨擦損失和端部損失，同時可以改善葉片正、背面的流速分布。從而可以提高轉(zhuǎn)輪的水力效率和空化性能。(2）將葉片軸