湍流强度(长短叶片泵水轮机转轮的优化设计)

摘要:

为了提高水泵水轮机的综合效率，提出了一种长短叶片转轮，以改善机组在发电和抽水工况下的内部流动特性。以可逆式水泵水轮机为研究对象，以长短叶片数与骨线出口边缘直径的比值为优化切入点，利用SolidWorks软件建立了不同的水泵水轮机三维模型，并通过CFD数值模拟验证了优化思路。用ICEM软件划分各流域的网格，用DES求解内部流场。主要研究了可逆式机组在涡轮和泵工况下的内部流场特性，并对运行参数进行了量化。结果表明，长短叶片转轮的抗[/k0/]化学性能优于全长叶片转轮，体现在叶片宽边的背压上。涡轮工况下6长6短、7长7短、8长8短叶片转轮效率分别提高了3.463%、3.198%和1.119%。6长、6短和8长、8短叶片转轮效率下降约4个百分点，7长、7短叶片转轮效率上升约4个百分点。另外，长刃骨线出口直径与短刃骨线出口直径的最佳比值为2/3。研究结果可为新一代水力机械的设计提供参考。

关键词:

水泵涡轮；长叶和短叶；优化设计；数值模拟；CFD水力特性；稳定性；

作者介绍:

宋晓峰(1968—)，男，高级工程师，学士，主要从事水工结构与工程管理研究。E-mail:1027051958@qq.com；*毛(1991—)，女，讲师，博士，主要从事水力机械及其系统、抽水蓄能及新能源技术研究。E-mail:maoxl@nwafu.edu.cn；

基金:

国家自然科学基金(51909222)；国家“十三五”R&D重点项目(2016 yfc 0401808)；陕西省水利科技项目(2016 slkj-4)；西北A&F大学科研启动基金(z 109021813)；

引用:

，毛，陆家豪，等.基于CFD的长短叶片水泵水轮机转轮优化设计[J].水利水电技术，2021，52 (4): 115-123。

，毛，陆家豪，等.基于CFD的长短叶片水泵水轮机转轮优化设计[J].水利水电工程，2021，52( 4) : 115-123。

0报价

实现智能电网，提高电网的用电效率和经济可靠性，是当前电力行业发展的新追求。近年来，新能源的蓬勃发展给抽水蓄能电站的发展带来了新的机遇。可逆式机组由于能够快速、频繁地在发电和抽水工况之间切换，为新能源的大力发展做出了巨大贡献。特别是在新一代小型抽水蓄能电站的建设中，这类电站对输电线路要求较低，建设相对灵活，投资少，见效快。另一方面，小型抽水蓄能电站基本可以满足单台机组和部分高峰负荷的需要。再者，小电站的建设可以与分布式发电相结合，共同实现小区域的高精度电网调控，最终可以增强电网调控的灵活性和可靠性。因此，对于抽水蓄能电站来说，在发电和蓄水的条件下，寻找新思路，提高运行效率具有重要意义。

机械在水利水电行业中占有重要地位，其中可逆式水泵水轮机作为电站的工作机组，顺应了高转速、大容量、高水头的发展趋势，同时综合水力效率、引水系统压力过大、空化特性降低等问题层出不穷。由于水泵水轮机要兼顾发电和抽水工况，不可避免的驼峰区等问题会引起机组振动，诱发强烈噪声，引起功率摆动等不稳定现象，直接影响机组运行的安全性和稳定性。其中，水泵水轮机运行时的内部流动特性是上述问题的具体表现，如流量分离、动静干涉、工况变化、回流等，是造成故障甚至事故的根本原因之一。针对上述现象的改进措施，目前主要研究方向涉及机组结构优化设计、运行工况控制、导叶运动规律优化等。在水力机械结构优化方面，赵卫国等人通过控制叶片叠线周向定位参数优化转轮，提高离心泵效率；肖若甫等以叶片的几何参数为设计变量，提高离心泵的水力效率；胡赞奥提出了一套以叶片载荷和叶片倾角为优化变量，以两种工况下的机组效率和空性能为优化目标的多目标优化设计系统。严建如等以水泵扬程偏差率和效率以及水轮机效率为目标，对全压损失集中的转轮进行正交优化设计。

计算流体力学要求求解流场控制方程组，其实质是用一系列有限离散点的变量值代替原来在时域和空域中连续的物理量场，然后通过相应的原理和相关方法建立上述离散点处场变量之间关系的代数方程组，最后求解代数方程组得到场变量的近似值。近年来，随着高性能计算机的蓬勃发展，计算流体力学(CFD)技术得到了广泛应用。国内外学者对CFD技术和水力机械模型试验进行了相关研究，大量文献证明了数值模拟方法的可靠性。因此，在水泵水轮机内部流场的研究中经常采用数值模拟的方法，林文华等人对水泵的轴向力进行了分析。李等研究了空流化流空气泡在小流量和大流量情况下的位置迁移；CAVAZZINI等人介绍了许多学者关于水泵水轮机不稳定性对电站功率调节影响的观点。肖琼等。分析了水泵水轮机转轮在水泵工况下的受力情况；夏生等研究了甩负荷工况下水泵水轮机的压力脉动和转轮力；郭涛等人分析了小开度条件下混流式水泵水轮机全流道的速度、压力和涡量分布，捕捉到了尾水区高强度的近壁湍流特性和独特的分离流现象。

由于研究过程的经济控制、条件和现有技术的限制，水泵水轮机的试验研究内容趋向于模型试验。张飞等人测试了S区运行的可逆式水泵水轮机的压力脉动。王等。采用理论分析、数值模拟和实验测试相结合的方法，研究了离心泵叶轮反转时的工况。一些学者也对真机试验进行了研究。孙跃坤等人对水泵水轮机在启动过程中的压力脉动进行了测试。张等通过试验手段分析了原型水泵水轮机顶盖、上、下机架的振动特性及原因。然而，本文的研究过程至少涉及六组模型。从实际情况来看，物理模型试验成本较高。而且，由于试验无法展示过流部件内的全流型分析，从本文提出的优化设计思想的具体研究方向出发，综合考虑经济性、方便性、可靠性等因素，数值模拟方法是目前最好的验证方法。

图1全长叶片泵水轮机原始三维模型及长短叶片转轮示意图

已发表的文献表明，国内外学者对水泵水轮机的研究基本上都是全长叶片转轮，而对长短叶片转轮的研究相对较少。因此，以国内某电站模型机组为研究对象，以改善两种工况下的内部流动特性，提高水泵水轮机的综合效率为目标，在理论分析和数值模拟相结合的基础上，提出并优化了长短叶片水泵水轮机转轮，以期为水泵水轮机的设计和优化提供参考。

1研究对象和计算方法

本文的研究对象是国内某电站的水泵水轮机，模型如图1所示。利用商业软件SolidWorks建立了该研究对象的三维模型。它由一个横截面为圆形的蜗壳(靠近尾部的椭圆形横截面与座圈的蝶形边等高连接)、20个固定导叶、20个活动导叶、一个带有9个三维空扭曲叶片的转轮和一个尾水管(肘形，包括直锥段、弯管段和扩散段)组成。根据水轮机运行方向，固定导叶进口直径为725 mm，活动导叶进出口直径分别为475 mm和389 mm，转轮进出口直径分别为300 mm/185 mm，固定/活动导叶高度为48.85 mm，设计工况下导叶角度为24°。所述长短叶片转轮的优化模型参数包括:叶片数6长6短、7长7短、8长8短，长叶片出口缘直径与短叶片骨线的比值A为1∶3、1∶2、2∶3(a= D /D)。

数值模拟采用CFD(计算流体力学)来验证设计思想，其中网格生成在ANSYS ICEM软件中完成。本文重点研究了模型外特征参数的表现，通过网格独立性验证发现网格数量对计算结果影响不大。图2示出了转轮和可移动导叶的局部网格的放大视图，图3示出了穿过水池的蜗壳和尾水管的网格。各模型总网格数约580.55万个，其中蜗壳163.96万个，固定导叶和活动导叶177.65万个，尾水管89.44万个，原全长叶片模型转轮149.5万个。新转轮的网格数如表1所示。

采用DES(分离涡模拟)求解内部流场。DES模型在近壁区与原SA(Spalart-Allmaras)模型等效，增加耗散旨在降低远离壁区的涡粘性。这可以避免从雷诺平均纳维尔-斯托克斯模型(RANS)到太靠近壁的大涡模拟模型(LES)的变化，并防止模型预测“过早”分离。具体来说，RANS和LES湍流模型共同构成DES模型，其中RANS模型在边界层运行，在大分离流情况下切换到LES模型。换句话说，DES模型允许RANS和LES网格转换区域，这在文献中有详细介绍。考虑到直接网格对RANS模型的影响，基于DES模型的模拟需要仔细划分网格。本文所涉及的三维计算模型在带叶片的流域均采用结构化网格。

图2水泵水轮机模型转轮区域和导叶区域局部网格(结构化)放大图

图3蜗壳(非结构化)和尾水管(结构化)的网格

表1不同长度叶片转轮的网格数

本文涉及的数值模拟计算在ANYSY CFX中完成，定常计算结果作为非定常计算的初始文件。在非定常计算中，时间步长为2.22×10 s，相当于转轮转一圈。在工作状态下，总压设定在涡轮蜗壳进口处，压力方向假设为垂直于蜗壳进口面。由于尾水管出口流态相对复杂，尾水管出口设置自由出流口，自选为卷吸；在工作状态下，泵的尾水管入口边界给定一个速度，蜗壳出口设置一个自由出口。假定排水盆墙为防滑墙，靠近实体墙的区域采用标准墙函数。相邻集水区配有通用网格界面(GGI)、蜗壳和导叶之间的静态界面，以及转轮、导叶和尾水管之间的冻结转子界面(FRI)。时间步长采用二阶隐式离散化，非定常计算过程每步循环迭代次数最大为5，主要变量收敛为5，优化过程中各模型边界条件设置一致。

2数值模拟优化分析

图4显示了原全长叶片表面和叶片间流线的压力变化趋势。叶片前后压力变化从A侧到B侧逐渐减小，动能比增大。叶片之间的流线平滑，没有旋转失速等不良现象。但转轮出口的高流速对应的是叶片根部的低压区，容易产生空化。泵后部区域的流线略有紊乱，这主要是由于扩散流动方向所致。对于全短叶片的转轮，就水轮机工况而言，由于叶片流动不受控制，在下环附近到转轮出口侧必然会出现脱流现象，在尾水管直锥段甚至弯管段也必然会出现涡带现象。另外，全短叶片泵叶片的增压能力明显较弱，很容易达不到扬程的要求。因此，本文不对全短叶片泵进行进一步的研究。

在前人工作的基础上，对水泵水轮机长短叶片转轮进行了设计和优化，长短叶片转轮由长短叶片、上冠、下环和间隔排列的出流锥组成。如图1(b)所示，这种设计的A侧的增加的叶栅密度有利于抑制不稳定现象的发生，例如水轮机转轮中的二次流。侧叶栅B密度降低，速度能与压力能之比发生变化，改善了转轮空的性能，尤其有助于改善转轮叶片根部的空化现象。此外，随着叶片总数的增加，与原模型的全长叶片相比，叶片受力面积增加了一倍，降低了单个叶片的载荷，从刚度和强度的角度提高了转轮的可靠性。

2.1长短叶片比例分析(a=2/3)

图5显示了新型转轮叶片表面压力和叶片间流线的变化趋势。本文设计了长短间距、6长6短、7长7短、8长8短三种叶片。要遵循每个流域内流线顺畅，基本不出现流量脱落、回流等二次流现象的原则。叶片压力梯度明显，发电工况压力从A侧向B侧降低，对应泵送工况压力从B侧向A侧升高，两种工况下B侧区域均出现背压区(图5中放大区域)，明显改善了图4全长叶片B侧的低压现象。这一结果有利于提高叶根的抗汽蚀能力。另一方面，转轮出口速度的周向分量是尾水管进口段产生涡流的原因，尾水管容易发生空空化空冲蚀。但图5 B侧面的“伪喷”现象明显缓解，该区域的平均速度低于长叶片对应的区域，进一步增强了整个单元的抗/[/k0/。

图4不同工况下原全长叶片泵水轮机模型转轮叶片间的流场

图5 7 7长叶片和7短叶片转轮叶片间流场

水轮机工况下三种转轮的压力梯度相同，但7长7短叶片转轮出口低压区面积小于其他两种。表2给出了不同叶片的水泵水轮机在两种工况下的性能参数，其中P为转轮的出力(W)，M为转矩(N·M)，H为扬程/扬程(M)，Q为流量(M·s)，η和η为效率(%)。总的来说，水轮机的效率比水泵的效率高。首先，根据高压侧(A侧)的无冲击设计，水轮机的流动角等于设定角，而泵的出口角小于高压侧的设定角。而且泵的工况属于扩散流，叶间通道内相对速度逐渐降低，阻力越来越大，水力损失增大。长短叶片在水轮机上的应用明显提高了效率(最高可达3.5个百分点左右)，但泵的运行工况却完全不同。其中，6长6短叶片水轮机的工作效率与7长7短叶片水轮机的工作效率基本相同，但泵工况相差约4.5个百分点，这主要是由于6长6短叶片间的强涡流[见图6(a)]。对于8长8短叶片的转轮，其效率指标在水轮机工况下基本保持不变，而在水泵工况下则大大降低。主要原因是叶栅密度过大，转轮叶片间的拥挤度增大，水力损失大于其他两者，高效区运行范围变窄。图6(b)和图6(c)分别显示了具有7个长叶片和7个短叶片以及8个长叶片和8个短叶片的转轮中涡核面积的分布。与图6 (a)相比，6长6短叶片转轮的涡流范围较小。

表2原全长叶片转轮和长短叶片转轮对应的两种工况下水泵水轮机的性能参数

图6泵工况下不同叶片转轮涡核面积分布

从理论上讲，增加叶片数有利于提高泵的效率，但增加叶片数会降低泵的吸入性能。其中，泵的过流摩擦损失增加是效率降低的一个原因，而紊流是效率降低的另一个重要原因。图7(a)显示了具有6个长叶片和6个短叶片的转轮冠部上的TKE、湍流动能分布(TKE ),并且湍流强度沿着水流方向逐渐增加。由于转轮与导叶之间动静干涉的影响，出口边缘C侧的湍流动能最大。来流直接冲击长叶片工作面，叶片工作面侧(E)湍流动能大于背侧(D)。转轮的旋转带动E侧的高湍流强度水流向旋转方向流出，而D侧的液体流被挤压到C的后部区域，从而形成C区域周向非均匀分布的现象。与图7(a)相比，7长7短叶片的图7 (b)和8长8短叶片的图7 (c)冠面湍流动能更强。特别是对于8长8短叶片，背部通道(F)的平均湍动能高于工作面侧(G)，这是由于叶片间通道变窄，单通道流量减小，流量增大。这种转轮的高效点倾向于小流量。综合考虑摩擦损失和涡流损失等因素，综合考虑两种工况的综合性能，7长7短叶片为最佳方案。

2.2长、短叶片骨线出口边缘直径之比(a=D /D)

为了保证转轮内良好的流态，短叶片的叶型与长叶片完全一致，确定短叶片的径向尺寸是本文的第二个研究点。基于之前的7长7短叶片转轮，表3给出了长、短叶片出口直径比不同(a=1/3，a=1/2，a=2/3)的两种工况下水泵水轮机的性能参数。如图8所示，水轮机转轮区的流态较好，但过短的叶片使水流做功的面积减小，效率明显下降。另一方面，一个

图7水泵工况下不同叶片转轮冠面湍流动能分布

图8不同长度的叶片骨线出口边缘直径比A对应于水轮机条件下转轮内的流场。

图9水轮机工况下不同长度叶片骨线出口侧直径比A对应的尾水管涡核及其进口面的湍动能分布。

a水泵的工作条件

表3不同长度A的叶片骨线出口侧直径之比对应两种工况下水泵水轮机的性能参数。

3结论

本文以我国某抽水蓄能电站的水泵水轮机为研究对象，对长短叶片转轮进行优化设计，以提高机组在发电和抽水工况下的运行性能。其中以长短叶片数量排列和短叶片径向尺寸比作为优化切入点，以提高水泵水轮机运行效率和内部流场稳定性为目标。理论上长短叶片转轮叶片数量会增加，叶片承载面积增加一倍，降低单个叶片的载荷，从刚度和强度角度提高转轮的可靠性。应用数值模拟方法验证了本文的优化思路，研究结果表明:

(1)长短叶片转轮B侧区域的背压现象可以大大提高B侧区域的抗[/k0/]化学性能。

(2)7长、7短叶片在水轮机和水泵工况下综合效率最高，两种工况下原全长叶片效率分别提高约4个百分点。

(3)长叶片骨线出口直径与短叶片骨线出口直径的最佳比值为a=2/3，太短的叶片功能功率较低，而太长的叶片不利于提高转轮的性能。

本文对原全长叶片式水泵水轮机转轮进行了改进，在提高机组效率和内部流动稳定性的基础上，优化出7长7短叶片式水泵水轮机转轮，为新型水力机械的设计提供了一些思路和参考。将叶型参数与本文的优化思想相结合，是作者下一步对转轮的进一步研究。后续将通过实验手段对变工况和瞬态工况进行进一步研究。

水利水电工程

水利部《水利水电技术学报》是中国水利水电行业的综合性技术期刊(月刊)。它是中国的核心中文期刊，在国内外公开发行。本刊主要介绍我国水资源的开发、利用、管理、调配、节约和保护，以及水利水电工程勘察、设计、施工、运行管理和科学研究方面的技术经验，也报道国外的先进技术。该刊主要栏目有:水文水资源、水工建筑、工程建设、工程基础、水力学、机电技术、泥沙研究、水环境与水生态、运行管理、实验研究、工程地质、金属结构、水利经济、水利规划、防洪抗旱、建设管理、新能源、城市水利与农村。

以上就是由优质生活领域创作者 嘉文社百科网小编 整理编辑的，如果觉得有帮助欢迎收藏转发~