高健　劉曉娟

摘要：國內(nèi)外大型水輪機企業(yè)都有雄厚的技術(shù)實力，各個水頭斷均有優(yōu)秀的轉(zhuǎn)輪。但是每一個電站的水文特性不盡相同，轉(zhuǎn)輪在一般情況下不能直接套用。針對部分直接套用后的轉(zhuǎn)輪，出現(xiàn)能量特性、空蝕性能、水利穩(wěn)定性下降的情況，從轉(zhuǎn)輪優(yōu)化改型安全性和成本控制考慮，利用CFD和FEA技術(shù)對轉(zhuǎn)輪葉片進行局部優(yōu)化，是一種比較經(jīng)濟和安全的設(shè)計方案。

關(guān)鍵詞：CFD;有限元分析;剛強度;混流式水輪機

一、前言

五一橋水電站HLA575C轉(zhuǎn)輪，為上個世紀90年代研制的老型號轉(zhuǎn)輪。由于該轉(zhuǎn)輪在五一橋水電站投運之初，并未經(jīng)流場分析與轉(zhuǎn)輪剛強度計算，轉(zhuǎn)輪不可避免地在水力設(shè)計上存在一些缺陷，導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪在運行之中出現(xiàn)過多次葉片裂紋和脫塊現(xiàn)象。鑒于此，五一橋公司通過CFD技術(shù)，結(jié)合有限元分析，對HLA575C轉(zhuǎn)輪及通流部件的內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)輪剛強度、轉(zhuǎn)輪動力特性進行計算，提出了轉(zhuǎn)輪葉片局部改型的優(yōu)化方案。既在原轉(zhuǎn)輪木模圖基礎(chǔ)上，保持轉(zhuǎn)輪葉片主體型線不變，并結(jié)合CFD技術(shù)對轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，將轉(zhuǎn)輪葉片做局部增厚和葉片出水邊三角區(qū)適當延長;同時利用有限元分析技術(shù)，驗算改型后的轉(zhuǎn)輪剛強度與動力特性是否滿足設(shè)計要求，以提高轉(zhuǎn)輪的性能指標。

二、轉(zhuǎn)輪CFD流動分析

2.1葉片增厚方案

HLA575C轉(zhuǎn)輪葉型改造基于原型號木模圖進行，葉片主體形線沒有改變，僅是進行了局部強化處理。葉型強化主要對葉片正面后1/3部分進行了增厚處理，并對頭部背面進行了局部加厚，最大增厚約4mm～6mm。

2.2三角塊增強工藝

理論及實踐證明，轉(zhuǎn)輪出口加裝三角塊，對消除上冠下環(huán)三角區(qū)應(yīng)力集中有顯著作用。該工藝方案能夠有效增強葉片強度，抵抗轉(zhuǎn)輪出口渦帶擺動帶來的動應(yīng)力，大幅減少葉片發(fā)生裂紋的幾率。五一橋水電站HLA575C轉(zhuǎn)輪三角塊厚度由原來出水邊理論厚度7mm增加到14mm左右，三角塊沿流線方向長30mm，寬50mm。

2.3計算工況點及方法

HLA575C轉(zhuǎn)輪的模型綜合特性曲線，最優(yōu)工況點單位轉(zhuǎn)速n11≈67.2r/min，單位流量Q11≈470L/s。五一橋轉(zhuǎn)輪改型方案僅是加強處理，沒有翼型優(yōu)化，要維持其原有水力性能，只需要校核其最優(yōu)工況轉(zhuǎn)輪出口流速分布、內(nèi)流態(tài)、葉片表面壓力分布、負荷分布等維持原有規(guī)律即可。

HLA575C轉(zhuǎn)輪仿真計算采用的是單通道水力模型相對比較方法，即在同樣的導(dǎo)葉開度下，通過給定總壓進口、均壓出口和最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速時水輪機轉(zhuǎn)速，求解最優(yōu)單位流量，通過流量、效率、壓力、環(huán)量等特征參數(shù)相對比較，即可判斷葉型局部加厚后，設(shè)計工況有無漂移，水力特性有無變化。

2.4仿真計算

（1）定量結(jié)果

表1為定量計算結(jié)果。可以看出，在同一導(dǎo)葉開度下同一單位轉(zhuǎn)速67.2r/min，改造轉(zhuǎn)輪單位流量比原轉(zhuǎn)輪小0.44L/s，相對效率低0.01%，這一結(jié)果符合預(yù)期，是葉片局部增厚后過流能力減小，摩擦阻力增大的正常結(jié)果。

（2）轉(zhuǎn)輪出口流速分布

圖1為轉(zhuǎn)輪出口流速分布。可以看出，改造前后轉(zhuǎn)輪出口環(huán)量（綠色）分布基本一致，且改造后出口軸向流速（紅色）更為均勻。說明轉(zhuǎn)輪的出口流態(tài)沒有大的變化，且有向好趨勢，尾水管能量回收、葉片進口背面壓力分布、葉片表面的局部脫流都會比原來更好。

（3）葉片負荷曲線

圖2為轉(zhuǎn)輪葉片負荷分布?？梢钥闯?，改造前后負荷分布規(guī)律基本一致，且葉片頭部背面增厚后，減緩了葉片頭部背面壓力突變，減小了強沖擊，更有助于高水頭葉片的穩(wěn)定性。

（4）葉片壓力分布

圖3為轉(zhuǎn)輪葉片表面壓力分布?？梢钥闯觯脑烨昂筠D(zhuǎn)輪葉片正背面壓力分布基本一致，且葉片光滑處理后壓力梯度更均勻，有助于內(nèi)部穩(wěn)定做功。

（5）轉(zhuǎn)輪內(nèi)流場

圖4為轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流場。可以看出，改造前后轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流線分布幾乎完全一致，說明轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流場沒有變化，轉(zhuǎn)輪改造前后的水力特性應(yīng)該基本一致。

通過定量計算和校核工況計算，局部加厚和三角區(qū)適當延長前后，轉(zhuǎn)輪的過流能力和效率沒有明顯變化。圖1～圖4對比可以看出，在最優(yōu)工況增厚前后，轉(zhuǎn)輪出口流速分布、葉片壓力分布、負荷曲線、內(nèi)部流場都沒有明顯變化。因此，葉片增厚方案不會對原轉(zhuǎn)輪的水力特性帶來有害影響，原模型綜合特性不會發(fā)生較大變化。

三、轉(zhuǎn)輪改型剛強度分析

3.1計算工況及載荷

五一橋轉(zhuǎn)輪改型通過有限元法，借用ANSYS分析程序，對轉(zhuǎn)輪的剛強度及動力特性進行了計算與分析，計算工況點包括：飛逸工況、額定水頭工況、最大水頭工況。載荷條件包括離心載荷、重力載荷和壓力載荷。

3.2計算模型及邊界條件

五一橋轉(zhuǎn)輪計算模型，采用的整體轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)。有限元分析中，采用ANSYS三維實體單元 （SOLID186） 對結(jié)構(gòu)進行離散，通過接口程序建立由水力設(shè)計提供的水壓力數(shù)據(jù)。邊界條件按實際情況對計算模型進行邊界處理。

3.3應(yīng)力考核標準及分析結(jié)論

根據(jù)計算結(jié)果，轉(zhuǎn)輪在預(yù)期的最大荷載條件下正常運行時，各部位最大應(yīng)力未超過材料屈服極限的1/5 （ 116MPa ）;在最高飛逸轉(zhuǎn)速時，最大應(yīng)力未超過材料屈服極限的2/5 （ 232MPa ） ，證明五一橋改型轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足強度要求。

四、轉(zhuǎn)輪改型動力特性計算

五一橋轉(zhuǎn)輪改型采用流固耦合的方法對轉(zhuǎn)輪進行水下固有頻率分析。轉(zhuǎn)輪上冠與主軸把合面進行全自由度固定約束，結(jié)構(gòu)與水體接觸面設(shè)置流固耦合邊界條件。

轉(zhuǎn)輪水下主要固有頻率計算結(jié)果、振型情況，與機組可能的激振頻率對比，其結(jié)構(gòu)均避開了激振源頻率，具有良好的動力特性，不會產(chǎn)生共振。

五、結(jié)語

五一橋水電站HLA575C轉(zhuǎn)輪自投運以來，一直存在葉片進水邊氣蝕、出水邊頻發(fā)裂紋和脫塊的現(xiàn)象。通過CFD和FEA技術(shù)，采用較為保守的葉片局部改型方案，成功解決了上述問題。并在機組運行中，實際檢驗了機組振動情況較改造前得到提升，轉(zhuǎn)輪出力和機組效率未發(fā)生下降，轉(zhuǎn)輪也未再出現(xiàn)裂紋。說明葉片局部增厚和加裝三角塊工藝，在保持原有水力特性的基礎(chǔ)上，可以有效增強原轉(zhuǎn)輪的剛強度，能夠防治葉片掉塊等原發(fā)性問題。

參考文獻

[1] 中國電力出版社，《中國電力百科全書+水力發(fā)電卷》[G]，水電站機電部分，水輪機部件。