基于涡动力学的水轮机叶片诊断

    1.涡动力学分析方法

 

    涡动力学分析方法是研究流场内部涡运动的一种重要方法。BVF，即为边界涡量流，是单位时间内通过单位面积进入流体的涡通量，可用来诊断叶片是否合格。当BVF值为正时，表示BVF对轴功率起负效果。对于不可压缩流体，BVF为：
 

                                                  

    其中：是流体密度，是静压力，是指向流体的固体表面单位外法向量。

 

    2.计算工况的选取

 

    以定常计算作为CFD数值计算方法，选取工况①、②、③、④为计算工况，水头为8m，导叶开度和桨叶开度符合协联关系。具体计算工况如下：

 

    ①桨叶开度7º，导叶开度29.2º，进口流量89808kg/s

 

    ②桨叶开度25º，导叶开度54.8º，进口流量244337 kg/s

 

    ③桨叶开度31º，导叶开度60.5º，进口流量299379 kg/s

 

    ④桨叶开度41º，导叶开度70.8º，进口流量418540 kg/s

 

    3.BVF诊断 

 

    3.1.BVF为正的区域

 

    在图1到图8中，黑色部分代表叶片BVF小于零的区域；而灰色部分代表叶片BVF大于零的区域，即表示叶片中对水轮机轴功率做负贡献的区域。对工况①、②、③、④叶片压力面BVF进行对比，工况①灰色区域占据了叶片正面约三分之一的面积，是4个工况下灰色区域最多的工况，位置靠近叶片出口，此区域对水轮机轴功率做负贡献；工况②、③、④灰色区域分布在叶片压力面的两边区域（不包括叶片进口的一小部分区域），此区域对轴功率做负贡献；比较灰色区域大小有工况②<③<④<①，即最小叶片角度的工况①对轴功率做的负贡献最多，而接近设计工况的工况②对轴功率做的负贡献最少，当叶片角度以设计角度为起点增大时，叶片压力面对轴功率做的负贡献也随着增大。对工况①、②、③、④叶片吸力面BVF进行对比，①、②、③、④叶片灰色区域占据叶片面积的一半，对轴功率做负贡献，工况①灰色区域最大，存在于靠近叶片出口边区域、叶片进口轮缘的小部分区域和轮毂的小部分区域；工况②灰色区域集中于叶片吸力面的四周；工况③灰色区域靠近叶片进口边的大部分区域；工况④灰色区域靠近叶片进口边的大部分区域，但是叶片进口叶尖处区域为黑色。对同一工况压力面BVF和吸力面BVF进行对比，吸力面的灰色区域更多，表示吸力面对轴功率做的负贡献大于压力面。

 

      

 

    3.2 BVF变化较大的区域

 

    在图9到图16中，图中浅色代表BVF变化不大的区域，而深色代表BVF变化较大的区域，为叶片运行不太良好的地方，浅色和深色的分界线即为BVF的峰值。对工况①、②、③、④叶片压力面BVF进行对比，工况①在叶片压力面靠近出口的区域有一小部分深色区域，工况②、③叶片压力面基本不存在深色区域，工况④在靠近轮缘的左右两个小区域有一点深色，说明叶片压力面在小负荷和过负荷时表现出不良的特性，不良区域仅占很小的一部分。对工况①、②、③、④叶片吸力面BVF进行对比，工况①有接近三分之一的区域为深色，分布在叶片吸力面接近进出口两边区域；工况②、③、④在叶片吸力面进口旁边区域和靠近轮毂中间的月牙区域出现深色，且工况④深色区域稍微多一些，说明叶片吸力面在小负荷运行最差，在过负荷时运行不是太好。对同一工况压力面BVF和吸力面BVF进行对比，吸力面的深色区域更多，表示叶片吸力面性能更差。

          

 

    4.结论 

 

    本文运用涡动力学理论，对4个运行工况下的某水轮机叶片进行了诊断，得出了在4个工况下叶片上对轴功率做负贡献和运行不好的区域，以及这些区域随负荷的变化情况。