王旭 陳榮盛 盧磊

摘?要：為解決水輪發(fā)電機(jī)組在優(yōu)化設(shè)計中出現(xiàn)的技術(shù)矛盾，改善機(jī)組的各項性能，在對某混流式水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計時，為解決機(jī)組堵塞嚴(yán)重的問題，同時讓機(jī)組在優(yōu)化設(shè)計前后流場、效率以及出力等參數(shù)基本保持在設(shè)計值，提出了減少葉片數(shù)量的方案，分析了減少葉片數(shù)量會導(dǎo)致惡化的參數(shù)類型，以TRIZ發(fā)明原理的推薦方案為指導(dǎo)原則構(gòu)建技術(shù)矛盾關(guān)系，并提出了降低活動導(dǎo)葉高度和增大葉片表面積等優(yōu)化措施，對全流道進(jìn)行CFD數(shù)值計算和現(xiàn)場實測兩個方面驗證改造效果。結(jié)果顯示，改造后機(jī)組的流態(tài)良好，堵塞頻率顯著下降，且效率和出力均達(dá)到了預(yù)期水平，為后續(xù)機(jī)組的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：TRIZ發(fā)明原理;水輪發(fā)電機(jī)組;優(yōu)化設(shè)計;技術(shù)矛盾;CFD數(shù)值計算

中圖分類號：TV136?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.10.032

Optimum Design of Francis Turbine Based the Principle in TRIZ

WANG Xu1， CHEN Rongsheng2， LU Lei3

（1.Chengdu College of University of Electronic Science and Technology of China， Chengdu 611731， China;

2.Chengdu Hydroelectric Investigation & Design Institute of SPC， Chengdu 610000， China;

3.Yingxiuwan General Hydropower Plant， Dujiangyan 611830， China）

Abstract：The primary goal of this research was to solve the technical contradiction in the process of Francis turbine optimum design. The paper took the Francis turbine as an example， in order to solve the problem of serious congestion and keep the good performance of turbine. We proposed to reduce the number of blades and analyzed to reduce the number of blade that could lead some parameters deterioration. And then the paper built the conflict matrix based the TRIZ. According to the guiding principles of TRIZ， we used the lower height guide vanes and enlarged blade area. At last， we did the simulation by CFD and site tests for verified the effectiveness and output. In conclusion， the results show that the improved turbine has a good performance. It has provided a reference for the future optimum design.

Key words： principle in TRIZ; francis turbine; optimum design; technical contradiction; CFD analysis

對于一些運(yùn)行時間較長的中小型水電站，由于水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)輪選型不當(dāng)、零部件設(shè)備老化等因素，容易導(dǎo)致流道堵塞、效率下降和出力降低等問題，影響電站的經(jīng)濟(jì)效益[1]，因此對水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)計，在改善其性能、提升發(fā)電效率以及經(jīng)濟(jì)效益等方面有舉足輕重的意義。

有關(guān)水輪發(fā)電機(jī)組優(yōu)化設(shè)計的研究結(jié)果表明，采用單一措施改善機(jī)組某些性能參數(shù)時，往往會導(dǎo)致另一些參數(shù)的惡化。例如：當(dāng)葉片包角增大時，機(jī)組出力能夠得到有效提升，但同時機(jī)組卻容易偏離最優(yōu)工況，其效率會有所下降[2];當(dāng)葉片表面積增大時，轉(zhuǎn)輪的抗汽蝕性能和強(qiáng)度均會得到改善，但比轉(zhuǎn)速會降低[3];當(dāng)葉片數(shù)量減少時，轉(zhuǎn)輪的過流量會顯著增大，但機(jī)組的汽蝕程度會加劇[4]。由此可見，在機(jī)組的優(yōu)化設(shè)計中，改善參數(shù)和惡化參數(shù)同時存在，即二者構(gòu)成了技術(shù)矛盾。鑒于此，為避免惡化參數(shù)影響機(jī)組的整體性能，有效解決技術(shù)矛盾，筆者在對某電站混流式發(fā)電機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計時，采用了基于技術(shù)矛盾的解決理論——TRIZ發(fā)明原理[5]，并根據(jù)其指導(dǎo)原則，提出優(yōu)化設(shè)計方案，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

1?工程問題描述

以某水電站混流式水輪發(fā)電機(jī)組為優(yōu)化設(shè)計對象，該機(jī)組投入使用至今已近20 a。由于轉(zhuǎn)輪選型不當(dāng)，機(jī)組自投入運(yùn)行以來流道經(jīng)常堵塞，導(dǎo)致停機(jī)時間長、運(yùn)行效率低和穩(wěn)定性差等問題，因此需要對該機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化改造，解決流道堵塞問題，提升其工作性能，將出力、效率等各項參數(shù)恢復(fù)至原始設(shè)計的狀態(tài)。原機(jī)組的部分參數(shù)見表1。

2?基于TRIZ發(fā)明原理的水輪機(jī)優(yōu)化設(shè)計

TRIZ發(fā)明原理是一種基于技術(shù)矛盾的解決理論。該原理是在工程問題解決方案統(tǒng)計學(xué)基礎(chǔ)上，發(fā)掘設(shè)計對象的技術(shù)矛盾，并通過推薦方案減輕或解決該矛盾，最終得到設(shè)計的理想解[6]。在對混流式水輪機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計時，需要減輕或消除某個不利因素，然而，對該因素的改善會導(dǎo)致其余因素惡化，此時就構(gòu)成了技術(shù)矛盾。因此，采用TRIZ發(fā)明原理的目的就是解決該技術(shù)矛盾，實現(xiàn)合理的優(yōu)化設(shè)計。具體流程如圖1所示。

2.1?技術(shù)矛盾關(guān)系的建立

由上述分析可知，該機(jī)組的主要問題在于轉(zhuǎn)輪選型不當(dāng)造成流道堵塞，從而引起機(jī)組的其他性能問題。因此，如何消除流道堵塞，是優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵因素。通常而言，采用減少葉片來增大轉(zhuǎn)輪開口是最行之有效的措施。然而，葉片的減少會增大水流的出口環(huán)量，導(dǎo)致機(jī)組效率下降;同時，由于葉片數(shù)減少后，其周向力、水力矩均會增大，因此在其余條件不變的前提下，轉(zhuǎn)輪強(qiáng)度會降低[7]。故消除流道堵塞與效率、強(qiáng)度構(gòu)成了技術(shù)矛盾。

由于TRIZ發(fā)明原理中定義了39個通用工程參數(shù)，因此需要將水輪機(jī)的技術(shù)矛盾因素轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的通用工程參數(shù)[8]。通過減少葉片來消除堵塞的措施，主要是為了使過流量增加，而水流是處于運(yùn)動狀態(tài)的，過流量增加則意味著流過轉(zhuǎn)輪的體積增加。因此，該因素轉(zhuǎn)換成的通用工程參數(shù)為運(yùn)動對象的體積。 同理，分別將效率和強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的通用工程參數(shù)能量損失、強(qiáng)度。

上述構(gòu)成矛盾的通用工程參數(shù)及TRIZ發(fā)明原理中推薦的解決方案見表2。

2.2?優(yōu)化設(shè)計方案的確定

根據(jù)表2中的解決矛盾推薦方案，進(jìn)行機(jī)組的優(yōu)化設(shè)計方案分析和選擇。以能量損失為例，在水輪發(fā)電機(jī)組優(yōu)化設(shè)計中，具體的矛盾為：葉片數(shù)量的減少增大了轉(zhuǎn)輪開口及流量（即改善參數(shù)為運(yùn)動對象的體積），但與此同時機(jī)組效率下降（能量損失加大）。因此，為解決該矛盾，表2中列出的TRIZ發(fā)明原理推薦方案包括7、15、13和16。發(fā)明原理7是將機(jī)組的某一個過流部件通過另一個過流部件的空腔來實現(xiàn)，而水輪發(fā)電機(jī)組的過流部件具有固定的配合關(guān)系，故該方案無法實現(xiàn);發(fā)明原理16是通過改善轉(zhuǎn)輪葉片的工藝和翼型等措施降低矛盾程度，即適當(dāng)減輕效率的下降程度，但由于該機(jī)組的改造目標(biāo)是在不降低效率的前提下減輕流道的堵塞，故該方案也不予考慮。發(fā)明原理15的指導(dǎo)原則為調(diào)整機(jī)組的過流部件，使內(nèi)部流場狀態(tài)改善，其性能得到優(yōu)化，即在保持經(jīng)濟(jì)性的前提下，不局限于轉(zhuǎn)輪，可以對任意過流部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn);發(fā)明原理13，即采取逆轉(zhuǎn)措施來解決由于增大轉(zhuǎn)輪出口而產(chǎn)生的惡化因素。綜上所述，優(yōu)化設(shè)計方案推薦的可行發(fā)明原理為15和13，具體措施是：減少葉片數(shù)量，該措施會有效改善機(jī)組堵塞的問題，但水流流過葉片的過流量會增加，致使最優(yōu)工況向大流量區(qū)偏移，故必須調(diào)整流場動態(tài)性能，防止效率降低。采取利用適當(dāng)降低活動導(dǎo)葉高度的措施來反向調(diào)整過流量（發(fā)明原理13），既能解決堵塞的問題，又消除了機(jī)組最優(yōu)工況向大流量區(qū)偏移的現(xiàn)象（發(fā)明原理15），確保效率不下降。按照上述方法，改善機(jī)組結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能的措施見表3。

根據(jù)表3中的優(yōu)化設(shè)計方案，具體設(shè)計中，轉(zhuǎn)輪直徑保持不變，葉片數(shù)目按照比轉(zhuǎn)速進(jìn)行確定，故將葉片數(shù)調(diào)整為14片，此時葉片平均開口將顯著增大，由改造前的21 mm增至30 mm;而導(dǎo)葉高度降低的程度，按照比轉(zhuǎn)速及水頭損失最小原則確定[8]，因此導(dǎo)葉相對高度由優(yōu)化設(shè)計前的0.225降低至0.200;轉(zhuǎn)輪設(shè)計按照文獻(xiàn)[9]的流程進(jìn)行，新舊轉(zhuǎn)輪軸向流道對比見圖2。

3?CFD數(shù)值計算及現(xiàn)場測試

機(jī)組的優(yōu)化設(shè)計完成后，需要驗證其內(nèi)部流場的特征，以判斷水流的流態(tài)是否滿足要求。筆者采用CFD對機(jī)組進(jìn)行流場模擬，數(shù)值計算對象為優(yōu)化設(shè)計后的機(jī)組全流道。

3.1?條件設(shè)置

在CFD分析前，對模型進(jìn)行條件設(shè)置，主要流程如下。

（1）網(wǎng)格劃分。分別對主要過流部件蝸殼、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)輪及尾水管劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格類型均采用TGrid，并進(jìn)行拼接[10]。

（2）定義邊界條件。將蝸殼的進(jìn)口截面設(shè)置為壓力進(jìn)口邊界，尾水管出口截面設(shè)置為壓力出口邊界[10]。

（3）湍流模型的選擇。在定常流動中，湍流是不均勻的，受機(jī)組內(nèi)部過流部件形狀的影響，水流呈曲線軌跡，因此RNG k-ε湍流模型的適應(yīng)性較好[11]，故湍流模型確定為RNG k-ε模型。

3.2?計算結(jié)果的后處理

對額定水頭下導(dǎo)葉開度為70%、80%、85%、90%和100%的5個工況點進(jìn)行仿真，以85%開度為例進(jìn)行計算結(jié)果后處理分析。

3.2.1?流場特征分析

導(dǎo)水機(jī)構(gòu)流場狀態(tài)如圖3所示，從進(jìn)水端至出水端，水流速度呈增大的趨勢，且整個流線比較順暢。無論是固定導(dǎo)葉進(jìn)水端還是活動導(dǎo)葉出水端，都未發(fā)生明顯的脫流和旋渦等現(xiàn)象。從壓力的分布情況來看，沿進(jìn)水端至出水端逐漸降低，也表現(xiàn)出均勻變化的規(guī)律。整體而言，速度與壓力均沿導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的周向?qū)ΨQ，表明流態(tài)情況良好。由此說明，降低相對高度后的活動導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪配合情況較好。

新轉(zhuǎn)輪葉片的壓力分布情況如圖4所示，從葉片的進(jìn)水邊到出水邊，其正面和背面的壓力基本表現(xiàn)為梯度均勻下降的規(guī)律。從負(fù)壓范圍來看，葉片正、背面進(jìn)水邊與下環(huán)配合處的極小區(qū)域存在負(fù)壓，表明葉片抗汽蝕性能良好。轉(zhuǎn)輪葉片速度分布情況如圖5所示，水流比較流暢、整個轉(zhuǎn)輪流場范圍均未發(fā)生二次流動（回流、脫流和橫向流），從進(jìn)水邊至出水邊的速度逐漸增大，能量轉(zhuǎn)換效果良好。

整個流道的速度分布如圖6所示，水流從蝸殼進(jìn)口至尾水管出口，整體的流動比較順暢。蝸殼中的水流呈等速度矩分布的規(guī)律，起到了較好的引流效果，為導(dǎo)水機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)輪的良好流態(tài)分布奠定了基礎(chǔ)。當(dāng)水流進(jìn)入尾水管時，其速度矢量基本能夠保持垂直向下，且尾水管的直錐管段內(nèi)不存在偏心渦帶，而普通渦帶從尾水管的中段至末端逐漸減弱直至消失，符合尾水管內(nèi)部的正常流動規(guī)律[12]。

綜上所述，采用TRIZ發(fā)明原理完成優(yōu)化設(shè)計后從機(jī)組內(nèi)部流動特征來看，水流的動態(tài)特性良好，達(dá)到了預(yù)期的效果。

3.2.2?效率、出力預(yù)測及現(xiàn)場實測

優(yōu)化設(shè)計后的機(jī)組效率和出力是否能夠達(dá)到原設(shè)計參數(shù)，需要根據(jù)CFD分析結(jié)果進(jìn)行預(yù)測。其中，效率預(yù)測的步驟為：

（1）根據(jù)各工況下的CFD計算結(jié)果，獲得力矩、流量以及轉(zhuǎn)速等參數(shù)值。

（2）計算出效率及出力。二者的計算公式分別為[13]

η=TωρgQH（1）

N=ρgQHη（2）

式中：η為效率;T為轉(zhuǎn)矩;ω為發(fā)電機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)角速度;ρ為流體密度，即103 kg/m3;g為重力加速度，即9.8 m/s2;Q為流量;H為水頭;N為出力。

按照上述步驟，在額定水頭下，計算導(dǎo)葉開度為70%、80%、85%、90%和100%工況下的效率與出力值，并采用文獻(xiàn)[14]的方法進(jìn)行修正，獲得了發(fā)電機(jī)出力值。同時，由于該優(yōu)化措施已被電站實施，因此結(jié)合電站反饋數(shù)據(jù)情況，將效率及發(fā)電機(jī)出力的仿真和實測值進(jìn)行對比，見圖7、圖8。

從圖7可以看出，CFD仿真結(jié)果和現(xiàn)場實測效率的變化規(guī)律基本一致，二者均在導(dǎo)葉開度為85%時效率達(dá)到最高。但整體而言，各開度下的效率偏差均不是很大。受機(jī)械損失、容積損失等因素的影響，各開度下的現(xiàn)場實測值均比仿真值略低，但誤差較小，除導(dǎo)葉100%全開外，效率基本上保持在87.5%～88.7%，基本滿足要求。

從圖8可以看出，現(xiàn)場發(fā)電機(jī)出力實測值比發(fā)電機(jī)出力計算值也略低，在各開度下，二者的偏差均在5%以內(nèi)，屬于合理的誤差范圍。同時，根據(jù)現(xiàn)場實測結(jié)果可知，當(dāng)導(dǎo)葉開度為87%時，機(jī)組達(dá)到額定出力，而CFD分析預(yù)測達(dá)到額定值的開度為85%，故二者的結(jié)論基本一致。最后，以一個汛期為觀察周期，統(tǒng)計發(fā)生堵塞的次數(shù)為3次，遠(yuǎn)低于優(yōu)化前平均每天堵塞1次的頻率。

綜上所述，從機(jī)組的效率、出力和堵塞頻率來看，采用TRIZ發(fā)明原理對機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，通過增大轉(zhuǎn)輪開口解決堵塞問題的前提下，其余參數(shù)均保持在預(yù)期水平，最終的改造效果是比較良好的。

4?結(jié)?論

針對某電站混流式水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中存在堵塞的問題進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，分析了機(jī)組改造中存在的技術(shù)矛盾，采用TRIZ發(fā)明原理從導(dǎo)葉高度降低、轉(zhuǎn)輪葉片的設(shè)計等方面進(jìn)行改造。從CFD分析及現(xiàn)場實測結(jié)果兩個方面均體現(xiàn)出了該優(yōu)化設(shè)計方案的合理性，同時堵塞的頻率大幅下降，達(dá)到了預(yù)期的改造目標(biāo)。

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【責(zé)任編輯?崔瀟菡】