摘要：这篇文章对于轴流式水轮机叶片几何形状的不同会在一定的程度上对水轮机的运行状态造成一定的影响，从而可以从中找到轴流式水轮机在不同叶片的状态下与水轮机性能参数之间存在的联系。
关键词：轴流式；水轮机；性能；影响
1.前言
对于该项研究的早期所使用的轴流式水轮机叶片在设计的初期都是采用让叶片的出水边放置在水平面的同一个截面上，在此基础上还要让进水边要根据机翼的形状、大小、长短等多个方面来考虑，然后放置在光滑的空间曲线上。这样的设计方法，使得叶片在进水位置处和整个机器在运转过程中存在很大的风险和缺陷。随着科技的飞速发展，计算理论流体力学和计算机技术的发展，在水轮机的各项技术方面都取得了较的的突破，而且相关的技术也得到巨大的革新。
2.轴流式水轮机在发展中的目前现状
随着这几年的发展，我国国内的一些学者也对轴流式水轮机的技术革新做很多的工作和研究，比如最近对于该项目提出的新型轴流式水轮机各过流部位的改进方式；轴流式水轮机转轮内空隙空化的主要表现形式和产生的机理的研究等。在对水轮机内部构造的研究的同时，还对内部构造的流动特性也进行了深入的分析和研究，许多的科研工作者都在花费较大的精力去研究轴流式水轮机叶片的几何参数和水轮机新能之间所存在的差别以及参数的不同会对机器的运行造成怎样的影响。比如TCVU等学者采用CFDD的技术针对叶片所分成的6种不同的参数标准展开了研究，通过结合想关的几何平均叶片的参数来进行对比来发现各种型号的叶片参数对机器运行的影响[1]。
JNicolle等学者采用CFD的技术来对水轮机叶片制造的过程和打磨的力度等多个方面来入手，通过分析这些存在的细微差别来研究翼型的微小变化会对水轮机的运行造成的影响。东方水机场的主要负责人赵永志先生在负责建造葛洲坝水轮机时，对于水轮机的最好工程情况以及额定的工程情况和工程内部的流动情况等多个方面进行分析，从而找出了相关的转轮在正常运行过程中所存在的缺陷，然后通过对原来水轮机的叶片的局部进行的一定的修改使得整个机器的运行过程得到改善。由上面的介绍可以知道，从目前的状况来看，轴流式水轮机的研究一直在不断的进行当中，相关的技术也在不断的改进。所以这篇文章讲对于不同型号的叶片以及进水时叶片的形状来分析不同叶片进水形状和水轮机运行的参数，性能之间的具体关系。
3.几何模型及计算领域
3.1轴流式水轮机叶片发展的过程
随着科学技术的不断创新，水轮机的设计方法也在科技的推动下日新月异，相关的技术时段也在趋于成熟，对于水轮机内部的运行状况也有了较为全面的理解，在水轮机的叶片出水位置也有所改进。之前叶片进水边的形状都是直线形，而目前所使用的叶片的形状都是采用曲线形。而且之前的叶片行形状也从扇形转变成了空间扭曲形状，这都在一定程度上使得整台水轮机的工作效率得到很大的改善[3]。
3.2计算域及计算工况点
这篇文章讲对于一个具体模型轴流式水轮机为参照对象，然后对于内部构件包括蜗壳、活动导叶、转轮、尾水管等部件组成以及整个机器的联合数值来进行分析。而且其中包括固定的导叶13个、活动导叶存在25个、转轮导叶6个。在保证其他的过流部件的叶形和参数相同的状况下来分析三种不同的叶片进水边的形状对水轮机的影响，然后对于数值进行计算，通过计算的结果来分析水轮机进水叶片的形状和水轮机性能之间所存在的关系。
为了使得实现过程中排出其他因素的干扰，通常情况下我们都会采用在同一片上采取不同位置的三种进水边缘来进行比较和分析。第一个方案就是使得进水边缘的半径R由轮廓边缘进行逐级的递减：而方案二以及方案三则采取与方案一不同的操作方式，叶片的进水边缘要随着转轮式的位置变化而不断的增大半径，随着轮廓的不断下移同时保证R也在不断地减小；因为第二个方案和第三个方案的相对位置是相同的，但是在轮廓的选取位置还是存在一定的差异性[4]。
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4.数学模型及边缘条件
4.1数学模型
轴流式水轮机的内部流动的主要介质是、较为复杂的混合三维流体，在一些情况下可以将这些混合的液体看作是不可压缩的流涕。在计算的过程中通常都会采取四面体网格的方式来对计算域进行合理的网格划分。这些所谓的计算过程都是在以Navier-Stoke方程式的基础上来进行分析和计算，而且计算的过程还要依照标准的瑞流模型来进行计算。同时计算还会涉及到质量守恒定律以及动量守恒定律。
4.2边界条件
这篇文章的蜗壳以进口方向为主要的计算域的分析主体，尾管口的出口方向则为计算域的出口。详细的边界条件所设定的条件为以下几点：
进口给定质量流量，在分析过程中应该将速度的方向设定为垂直于蜗壳的表面进口位置；出口给定供给压力；假设在机器内部表面不会存在滑移的现象发生，靠近壁面的地方需要使用标准的壁面函数来建立数学模型分析；静止和转动部位要采取动静结合的方式来选取干涉面[5]。
5.结果和分析
5.1叶片压力分布
叶片在工作过程中会收到一定的压力使用，这些压力的分布状况会在一定程度上反映出能量性能和空化性能之间的关系。对于轴流式水轮机转浆式水轮机，这种类型水轮机的空化部位主要分布在机器的转轮叶片位置、转轮室、叶片的外部、叶片的背面偏下的位置以及叶片轮廓整体等。
5.2不同叶片进水边的转轮内空烛部位
水轮机在其运行叶片的速度增加的过程中，随手的压力就会明显的减少，当水流的压力随着温度的降低是会发生气化现象，这是就是所谓的空烛反应。这篇文章在对不同叶片进水边形状对转轮内部的比较容易发生空烛现象的部位所产生的影响时，都是以气化压力为主要的参考数据。采取不同种类的转轮内部等压面，来作为大致的估算准轮内部的空烛情况。
5.3转轮中截面沿半径方向流量分布
水轮机的叶片进水部位叶片的形状如果存在一定的差异性就会对水轮机的过流能力造成较大的改变，而且空化能力也会受到一定的影响，同时也会使得转轮机内部从轮齿到转轮室的流量分配也会受到影响。本文在对叶片进水边进行研究的时候，内部流量分配的情况一般情况下都会重点的分析，通常都会使截面从轮廓到轮缘这段过程大致分为5个环面，通过计算每个环面的流量大小来分析叶片的进水边的差异对水轮机性能的影响。
5.4叶片进出口流动特征的分布
轴流式水轮机中，一般情况下水流都是从导叶位置的出口流出然后经过转轮的进口，这段航道过程中不会受到任何的外界力矩的作用，水的流动速度为等速的运动。这就要使用环量的计算公式，也就是说计算点要和转轮轮轴之间的的半径距离要保持一个固定的数值，在沿着转轮进口环量位置从轮廓到轮缘的位置这段距离中要保证轮缘的半径在不断的增大[6]。
6.结束语
这篇文章采用数值的计算方法对于不同类型的叶片的轴流式水轮机的影响进行了深入的研究，其分析的结果可知，不同的叶片进水边的形状会对水轮机的性能和运行情况都会产生很大的影响。方案一比较适合运行量较大的水轮机，而方案二和方案三则适合于进水边形状比较的固定的而且流量较大的水轮机，这些结果讲对于轴流式水轮机的改进起到一定的理论基础。
参考文献：
[1]赵亚萍，廖伟丽，李志华，等.轴流式水轮机叶片进水边形状对其性能的影响[J].农业工程学报，2012，28（13）：94-99.
[2]刘潇，庞涛.不同进水边叶片形状对轴流式水轮机性能的影响[J].科技展望，2015，25（36）.
论文作者:胡海虹,刘新航
论文发表刊物:《基层建设》2017年第31期
论文发表时间:2018/1/24
标签：水轮机论文; 叶片论文; 转轮论文; 形状论文; 轴流式论文; 位置论文; 性能论文; 《基层建设》2017年第31期论文;