反击式水轮机转轮叶片的水力特性自动优化-IAHR-吕胜海精要.doc

反击式水轮机转轮叶片的水力特性自动优化 （罗马尼亚） D Balint 等 [摘 要] 本文旨在优化水轮机转轮叶片的水力特性。本文介绍的是一个轴流式水轮机转轮，但该方法同样适用于混流式转轮。使用内部软件QTurbo 3D进行整个方法研究。本文将从能量和空化两方面阐述转轮叶片几何修正对其本身水力特性的影响。 1 前言 水电站等绿色能源是欧盟优先鼓励发展的项目之一。这包括新建电站和老电站的改造[1]。铁门I级电站是罗马尼亚的主要水电站，装有轴流式水轮机，因此专门对其转轮叶片的寿命进行研究[2]。罗马尼亚侧共装有6台轴流式水轮发电机组，总装机容量为1050MW，也因此成为最有潜力的科研资源[3]。更重要的是，在上世纪90年代末改造之后，从模型试验和日常运行中获取了大量信息，这为用于转轮叶片流体动力学优化发展的数值算法提供了有价值的验证来源。本文回顾了铁门I级水电站改造之前Leningradsky Metallichesky Zavod— LMZ叶片的水力性能，并阐明了增加水轮机效率的一种方法。 降低轴流式水轮机组转轮空化和流态设计是转轮叶片优化的主要目标[4]。此外还包括在优化循环中调查转轮整体效率和转轮出水边的流动，还分析了叶片进出水边型线对转轮叶片特性的影响[5]。为了提高转轮叶片的优化算法，需要确定一些适当的转轮叶片参数[6]，因此在优化研究方法中描述转轮叶片几何形状的最终参数量将会很大[7]。现代水轮机设计和优化需要较高的计算能力[8]。本文介绍内部软件QTurbo3D，该软件有针对轴流式和混流式水轮机通用的转轮叶片优化内部程序。转轮叶栅的参数化数据适用于采用相同程序的两种水轮机转轮中。在每个优化步骤，流道的几何形状通过QTurbo 3D软件迅速修正，随后使用商业CFD软件（ANSYS/Fluent）计算流场。本文将对由QTurbo 3D优化的转轮叶片和改造前铁门I级电站LMZ老式几何转轮叶片的结果进行清晰的比较。转轮直径尺寸为9.5m，该转轮由俄罗斯LMZ设计，于上世纪90年代末期达到使用寿命，由VATECH Hydro公司进行改造。转轮效率得到提升，最大功率也由178MW提升到200MW。本文中使用的优化运行工况如下：单机功率为160MW，流量为600m3/s。 2 内部水轮机优化用软件QTurbo3D（轴流或混流式水轮机） 罗马尼亚Eftimie Murgu of Resita大学水力、自动化和热力过程研究中心（CCHAPT）研发了名为QTurbo3D的内部软件（它是老版本TurboCADoptim软件的升级版[3]）。 该程序对轴流式和混流式水轮机是通用的，因为对二者而言转轮叶片参数化用相同程序编写。设计思想是设立彼此独立的参数，因此在修改一个几何参数或流体动力参数值时，其他的参数不受影响。 优化程序流程图如图1所示。如果不是项目改造这种情况，转轮是全新的，那么需要选择一个已有的转轮。对此QTurbo3D软件拥有适用于轴流式和混流式水轮机的内部设计程序。此外，QTurbo3D包含一个丰富的水轮机数据库，包括冲击式、混流式、轴流式和灯泡式水轮机（超过400个电站）。因此用户可以选择快速设计转轮叶片的一个初估值或者从库中选取一个。随后设置水轮机导水机构的流量，使之与优化方案的运行工况相匹配。通过计算导叶流量和调节导叶开度保证转轮叶片上游具有合适的水能。接下来进行导水机构-转轮联合计算（使用混合界面方式）。 优化程序遵循四个主方向（无论对于轴流式或混流式转轮都是如此）。首先，转轮叶片进水边需要无撞击条件。QTurbo3D软件包含一种算法，可以在保证出水边固定的情况下增加或减小转轮叶片进水边安放角。并且为了最终得到对转轮叶片进水边合理的流体冲击，需要对安放角变化进行修正，在没有完成第一步工作之前不进行其他工作。然后，根据CFD计算得到转轮功率。这时，在保持进水边在一个恒定的位置时调整叶片出水边。这也是通过QTurbo3D软件中的程序来完成的。第三步工作是转轮出水边的流动。为此采用水力机械文献以及专有技术。这点很重要，因为它将直接影响水轮机尾水管中的流动。此时应进行转轮和尾水管的流动联合计算，以免在尾水锥管中发生涡带。在本阶段通过QTurbo3D可轻松改变叶片准流面的负载，以调整与转轮叶片压力分布（压力面和吸力面两侧）相关的叶片翼展。达到上述三个方向要求后，应检查转轮效率。本步骤中，叶片吸力侧上总压等值线应近似平行于转轮叶片的进出水边。如果转轮中的水力损失过大，那么就应从轮毂到轮缘的最大相对厚度和凸度平滑过渡准流面。如果这时水力损失仍然很大，应当保持曲面不动，对叶片准流面采用不同的厚度分布。所有叶栅厚度分布函数应是共同的，仅仅根据流线位置不同进行按比例换算，以保证获得平顺的叶片表面。叶片性能余下的内容就是