叶片叶片转轴性能的试验研究

叶片叶片转轴性能的试验研究

近年来，随着科学技术的快速发展和地表径流研究的深入，液体动力学（cpd）技术在车轮水流设计中得到了广泛应用。cpd技术的使用不仅提高了车轮设计的精度和准确性，而且大大超过了车轮的刚性标准。进入21世纪以来，国内、外各厂商已将三维粘性流动的CFD技术推广应用于轴流转浆式转轮的设计中。然而，值得注意的是在进行轴流转轮叶片的CFD时，转轮叶片水力设计的质量将直接影响到后续的流动计算，尽管流动计算结果为修改转轮叶片设计提供了很多方便，但如果初始转轮的设计质量不尽人意，仅靠流动计算结果来修改叶型是很难达到最满意的结果的。因此，为了使CFD技术发挥更大的作用，就必须提高转轮叶片的最初设计质量，就必须清楚叶片参数与转轮性能的内在关系，以保证转轮的最终设计质量和成功率。影响水轮机转轮水力性能的参数很多，不仅有结构方面的参数，而且有水力方面的参数，关于这方面的研究及取得的成果已有很多，但随着CFD技术在轴流式转轮设计中使用的愈加成熟，以前一些未涉及或涉及较少的叶片参数与转轮性能的内在联系已变得相当重要，它将直接影响到转轮性能的进一步提高。为此，本文在总结了大量的试验数据及CFD计算结果的基础上，探讨了这些参数与转轮性能的关系规律，并提出了转轮设计时这些参数的选取原则及方法。1轴流齿轮出水边的设计及结果分析对轴流式转轮叶片水力设计而言，当利用CFD技术进行设计时，首先是要确定转轮流道的形状和CFD计算的边界条件。也就是要首先确定转轮的结构参数和一些水力参数及转轮叶片进、出水边的形状等。然而，在目前的许多设计中，由于制造及其他原因，我国轴流式转轮叶片的进、出水边形状仍沿用前苏联的一些设计方法，即叶片出水边放在同一轴截面内，而进水边则根据翼型的长短和位置放在一个光滑的空间曲线上。值得注意的是，这种形式的叶片出水边将带来许多缺点：(1)由于出水边在同一轴截面内（即水平投影在同一射线上），而使叶片成为一个扇形形状，在大流量工况时，叶片轮缘同出水边的交角区域已经超出转轮室的喉口部位而深入到尾水锥管中，此区域水流的离心运动增大，水流急速扩散，流速分布极不均匀。CFD的计算结果表明，此时叶片背面等流速线向此尖角处扩散（见图1）；(2)由于叶片外圆为球体，当该交角区域深入到尾水管中时，此处叶片外缘的间隙很大，转轮的容积损失及脱流损失也急剧增大，致使转轮的水力效率降低且空蚀大大加重。(3)轮缘同出水边的交角区域深入到尾水管中，而受到尾水管中压力脉动的影响，使该部位受到周期性的机械撞击，容易产生疲劳破坏及叶片抖动，很多已运行的电站发现该交角处容易产生裂纹及断裂就是这个原因。近几年来，我国很多制造厂商及电站已逐渐认识到这个问题，并借鉴了前苏联的坎涅夫斯克、乌斯奇—汉达依斯克、卡姆斯克、伏特金等电站切割叶片出水边的成功经验，对叶片轮缘与出水边的交角处进行了切割。运行实践证明，这种切割没有使电站水轮机的效率、出力及振动恶化；同时这种切割可将相对应力最大值前移到叶片较厚的位置，从而提高了叶片的可靠性。这些经验说明，将叶片出水边放在同一轴截面内是不科学的。随着CFD技术在轴流转轮设计中的应用，我们对叶片进、出水边的曲线形状进行了大胆的改进，适当减小叶片轮缘部分的叶栅比（l/t）值，增加叶片轮毂部分的叶栅比（l/t）值，将叶片进、出水边设计成光滑的弧线形状（在水平投影中），使叶片的进、出水边都处在不同的轴截面内，保持叶片平均叶栅比值和叶片总的面积值基本不变。这样不仅可使叶片背面的流速分布更加均匀，使转轮的效率和空化性能提高，而且可使叶片主要过流区的磨擦损失、端部损失（包括脱流损失和容积损失）大大降低，使大流量工况及额定工况的效率大大提高。CFD计算表明，叶片出水边设计成弧线形后，水流向轮缘和出水边交角区域的扩散明显改善，叶片正、背面的流速分布趋向均匀（见图2），正背面的压力梯度减少，转轮性能明显提高。这种设计方法在D179a、D231、D232等转轮中得到了很好的应用，取得了良好的效果。2叶片转轴的位置当叶片进、出水边的形状确定以后，叶片转轴及轴线位置将变得相当重要，这个问题也是CFD计算很难解决的参数问题。在以前的设计中，人们往往忽略了这个问题。近年来的研究表明：叶片转轴特别是轴线与叶栅的相对位置不仅影响到叶片转动机构的布置及叶片回转力矩的大小，而且也影响到转轮的水力性能。因为在进行叶片设计时，网格划分都是按流线进行的，由于水流的粘性作用，靠近叶片表面区域的边界层中水流的相互影响增加，如果叶片轴线与叶栅相对位置设计不当将可能在流线方向和叶片径向产生水跃或较大的水流紊乱，这将严重的影响转轮的水力效率。根据我们的研究发现，叶片转轴线同叶栅的相对关系应该是：在轮毂断面处轴线应尽量通过翼型的骨线，而轮缘断面处轴线应在翼型实体的上方，即从轮毂到轮缘各断面翼型骨线相对叶片轴线成一倾斜形状（见图3）。这种设计不仅有利于提高转轮的效率，而且强度计算结果表明它有利于改善叶片的应力分布和应力水平。从D179及D179a转轮的对比试验中发现，各断面翼型骨线相对转轴轴线成倾斜状后，转轮额定点的效率提高了0.6%，同时这种设计方法在D231、D232转轮中也有很好的应用。叶片转轴位置的选择应由叶片操作力矩及转轮水力性能两个方面来考虑，转轴的位置必须使叶片向开与关的方向转动时具有相近的水力矩。试验表明，对于稀疏叶栅（l/t≤0.6），叶片转轴应在距翼型头部约0.35L处（以叶片中间端面为准）；而对于稠密叶栅（l/t≥1.3），叶片转轴应在距翼型头部约0.45L处。一般情况下，叶片转轴应使进、出水边到中心线的弦长比的比值在0.35～0.45之间为宜。3轴流式织物的厚度设计水轮机的设计理论中均假定叶片无限多和无限薄。随着CFD技术的出现及边界层理论研究的深入，在转轮的水力设计中已经可以考虑叶片的排挤及水流的粘性，但叶片厚度及变化规律仍是影响转轮性能的决定因素，仅靠CFD计算所获得的叶片表面附近的速度及压力分布很难解决这个问题，因为叶片的厚度改变了转轮中液流的流动状态及规律，而K-ε边界层的一些假设在预测有厚度的叶片造成的附加旋涡及脱流方面存在困难，对于非设计工况更是如此。那么最理想的方式仍是无厚度叶型，但这在强度上是绝对不允许的；强度计算表明，轴流式水轮机叶片的最大应力点一般出现在叶片法兰处或叶片法兰的下游侧到出水边与轮缘交角的区域，这就为人们优化叶片厚度提供了可能。当前的最新设计理念是，将叶片头部设计成从正、背面两边逐渐减小的“鱼头”形状，叶片沿翼型方向的厚度变化较为平缓，同时为了提高效率可以适当减小叶片的最大厚度；那么对于由此所引起的强度问题如何解决呢？解决的办法就是在叶片轮毂端面增加凸边（见图4），这种方法可使叶片的应力水平大大提高，同时最高应力点的应力水平降低，应力分布更趋合理。4叶栅金属结构叶栅稠密度（l/t）是转轮设计及改型时的重要参数之一，它不仅影响着转轮比转速的大小，而且直接影响着转轮水力效率的高低、最优单位转速的大小和过流能力的强弱；同时也是决定转轮空化性能好坏的重要因素之一。在一定的来流条件和一定的叶片安放角时，叶片的叶栅稠密度（l/t）必须满足能量转换条件，叶栅稠密度减小将导致水流相对速度增加及叶栅偏转水流的能力降低，使转轮的水力效率降低，所以叶栅稠密度（l/t）不能过小；但（l/t）的值过大，则叶片阻力损失增加，同样使转轮的水力效率降低。因此，对于一定比转速的转轮，其叶栅稠密度有一个最佳值，此时叶片的各种损失之总和最小，转轮的水力效率最高。但以前设计时，普遍重点强调的是叶片的平均叶栅比（l/t)cp与转轮性能的关系，很少注意到各段面（或流线）叶栅比沿叶片半径方向的分布。我们最近的研究发现：在转轮平均叶栅比大致相同的条件下，各条流线上叶栅比的分布规律直接影响到转轮的水力性能。KV4转轮和D179a转轮叶栅比沿半径方向的分布曲线见图5。5叶片参数对齿轮性能的影响计算流体动力学（CFD）技术在转轮水力设计中的推广和使用，极大地克服了以往设计中的盲目性，缩短了转轮的开发周期，提高了设计质量。但值得注意的是，如果最初的转轮设计质量不尽人意，仅靠CFD计算来修改叶型设计是很难达到满意结果。因此，要提高转轮的设计质量就必须清楚叶片参数与转轮性能的内在关系，特别是以前研究不多的一些参数。(1）将叶片进、出水边设计成光滑的弧线形状，使叶片的出水边处在不同的轴截面内，不仅可以减小叶片主要过流区的磨擦损失和端部损失，同时可以改善叶片正、背面的流速分布。从而可以提高转轮的水力效率和空化性能。(2）将叶片轴