混流式水轮机设计实例-叶片设计

第48卷第14期2 0 1 7年7月人民长江Yangtze RiverVol.48,No. 14July,2017文章编号：1001 -4179(2017) 14 -0079-03基于MATLAB- U G的混流式水轮机叶片三维建模祐术彬，会波“2，参靭“2，釗i計1，2(1.西华大学能源与动力工程学院，四川成都610039; 2.西华大学流体及动力机械教育部重点实验室，四川成都 610039)摘要：针对冷却塔专用混流式水轮机流道狭长、叶片空间几何形状复杂，三维建模难度较大的问题，结合某冷却塔专用超低比转速水轮机设计工程案例，以转轮二元设计理论（〇>…= 0)为基础，利用MATLAB软件计算出转轮叶片的骨线，并对翼型骨线进行展开加厚，最后借助于UG软件的三维建模功能，生成光滑的三维叶片模型。

结果表明，采用该方法进行转轮叶片的三维建模，所生成的叶片光顺、无稽皱，能够精确地反映出叶片的空间流性，提高了转轮叶片的生成效率和精度，可为后续开展水轮机的C FD分析和性能优化提供有力的支撑。

关键词：转轮叶片；三维建模；MATLAB; U G;混流式水轮机中图法分类号：TV734 文献标志码：A D O I：10. 16232/j. cnki. 1001 -4179. 2017. 14. 018i研究背景冷却塔在石油化工和热电系统中得到了广泛使 用，冷却塔中的有压水流在工作后通常会有5 ~ 16 m 的富余水头[1_2]。

利用水轮机将这部分富余的水头转 换成做功能量并用来驱动风机转动，不仅可以提高栗 送有压水流的利用率，而且还可以节省大量驱动风机 的电机所消耗的电能，因而具有可观的经济价值。

转轮叶片作为水轮机能量转换的核心部件，在空 间结构上高度扭曲，致使三维建模难度较大。

文献[3 -5]中对传统的三维叶片的建模方法给予了描述，即在已有的二维木模图的基础上，采集木模图中叶片的 样条数据，再利用U G绘图软件进行三维叶片的建模。

一、工程背景及水轮机叶片简介图 1、为某型水轮机叶片的CAD模型。

在发电工作工程中水流由进水口流向出水口，叶片承受水流的冲刷从而开始运动，这种运动通过传动轴传递到发电机，从而带动发电机工作发电。

但是水轮机在工作仅仅一年多时间以后，就有数片叶片发生了疲劳断裂事故，使得水轮机不能正常工作发电，造成了一定的经济损失，同时也说明水轮机叶片在结构的设计方面确实存在不完善之处。

然而，由于水轮机在水下进行工作，很难通过测量得方法获得叶片上应力和位移的分布情况，也就无法知道叶片为何会断裂，无法有效的改善叶片的几何结构。

在这种情况下，长江水利委员会陆水枢纽局的委托我们对LS591水轮机叶片的进行Ansys有限元模拟计算，获得叶片的应力场和位移场的分布，从而为叶片断裂事故分析提供技术支持，并对叶片结构的改进提供具体方案。

传动轴进水口出水口图1、CAD模型二、ANSYS简介及解题步骤1、ANSYS简介对于大多数工程技术问题，由于物体的几何结构比较复杂或则问题的某些特征是非线性的，我们很难求得其解析解。

这类问题的解决通常具有两种途径：一是引入简化假设，但这种方法只是在有限的情况下是可行的。

也正是因为这样，有限元数值模拟的技术产生了。

有限元方法通过计算机程序在工程中得到了广泛的应用。

到80年代初期，国际上较大型的面向工程的有限元通用软件达到了几百种，其中著名的有：ANSYS,NASTRAN,ASKA, ADINA,SAP等。

其中，以ANSYS为代表的工程数值模拟软件，即有限元分析软件，不断的吸取计算方法和计算机技术的最新进展，将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合，已成为解决现代工程问题必不可少的有力工具。

尤其是在某些环境中，样机试验是不方便的或者不可能的，而利用ANSYS软件，对这个问题有了很好的解决。

本文中水轮机叶片是在水下的环境进行工作，测量很难进行，利用有限元软件ANSYS这个问题得到了很好的解决。

2、ANSYS分析步骤ANSYS分析可以分为三个步骤：a、创建有限元模型（1）创建或读入几何模型根据实体模型按照给定的尺寸建立模型或者直接导入已经生成的几何模型，并对其进行一定程度的修复、简化等。

混流式水轮机叶片自由曲面的延展摘要：传统的木模图法在表示水轮机叶片时存在表示叶片不完整和无法引入计算机辅助设计及制造的不足，为此本文提出了基于最小二乘法的非均匀有理8 样条曲线曲面延展法，解决了混流式水轮机叶片空间曲面的小区域延展问题。

同时结合水轮机叶片形状特点，利用自由曲面和解析曲面的求交法确定了叶片的延展边界，实现了叶片曲面的整体造型。

论文最后算例分析表明，该方法能够得到精度较高的延展曲面，同时算法稳定可靠。

关键词：延展求交拟合自由曲面水轮机叶片混流式水轮机叶片是一个复杂的空间扭曲而，长期以来，工程上采用木模图来表达水轮机转轮叶片、控制叶片的加工精度和测量精度。

经过长期的应用和发展这种空间扭曲叶片的木模图能够较好的满足传统的工艺制作及放样，然而在计算机辅助设计和制造技术广泛应用的今天，木模图的不足凸现出来[1，2]。

首先木模图直接面对加工制造，无法应用于研究分析整个叶片的几何特点和力学特性；再者无法直接把木模图引入计算机辅助设计和制造系统，这大大影响叶片的设计和制造质量。

随着科学技术的飞速发展，这种采用木模图来表达水轮机转轮叶片的方法已经逐渐不能满足当今市场竞争的需要。

随着自由曲面造型技术的发展，此项技术应用子水轮机叶片的曲面造型初步解决了水轮机转轮叶片的表示问题。

此项技术利用已知型值点构造非均匀有理B样条曲线曲面，进而拟合得到叶片的空间表达方程。

这种方法存在一个不足[1，3，4，5]，即非均匀有理6样条曲线曲面无法定义型值点区域外的图形，对混流式水轮机叶片的进行曲面造型时表现为无法拟合0-0断面和上冠之间区域的曲面形状。

这就引出了非均匀有理6样条曲线曲面延展问题。

1基于最小二乘法的非均匀有理B样条曲线曲而延展法1.1延展问题的已知条件现在通用的木模阁在表示水轮机叶片时一般给出等2而的0^)数椐。

如图1所示，由图可以看出，在0-0断而以上只有一个已知型值点，即进水边与上冠的交点，有时甚至还没有表示出这个点；同样在16-16断而以下也只有一个已知型值点，即出水边与下环的交点，有时甚至还没有表示出这个点。

混流式水轮机转轮叶片技术要求=13。

1.叶片数Z12.水轮机旋转方向：俯视顺时针。

3.叶片材质为VOD精练ZG00Cr13Ni4Mo不锈钢。

4.叶片铸件应符合JB/DQ1554-89《中小型水轮机铸钢件技术条件》。

5.铸件不得有裂纹、气孔、夹渣等铸造缺陷。

6.铸件须退火处理。

7.叶片采用三坐标数控工艺进行加工。

加工精度应满足GB/T10969-1996《水轮机通流部件技术条件》的规定。

8.叶片正、背面型线坐标允许偏差为±0.5mm。

9.叶片头部形状用样板检验。

共检验断面2、3和4等三个断面，头部形状的允许偏差为±1.0mm。

头部样板采用厚度为1.0mm的钢板制作。

10.叶片出水边厚度允许偏差为－0.5～＋1.0mm。

11.叶片与上冠相贯面应留3mm的焊接收缩裕量。

本木模图中给出的上冠相贯面尺寸不含收缩裕量。

叶片与下环相贯面按图纸尺寸加工到位。

焊接坡口待与转轮组焊厂家协商后确定。

12.叶片进水边头部修圆后，各断面的最大高度值按图纸要求，允许偏差为±1.5mm。

13.叶片正、背面局部存在的波浪度应低于2/100，叶片背面易遭空蚀部位的波浪度应小于1/100。

14.叶片表面粗糙度不低于1.6～3.2μm。

15.单个叶片理论净重为52kg。

单个叶片重量允许偏差为-3～+5%，叶片平均重量允许偏差为-1～+3%。

叶片出厂时标记实际重量。

16.成品叶片出厂时，须提供下列质量检验报告和其他有关资料各两份。

（1）叶片材质化学成分和机械性能检验报告；（2）叶片制造精度检验报告，内容包括：叶片各断面型线坐标偏差、叶片头部形状偏差、叶片出口边缘厚度偏差、叶片表面波浪度、叶片表面粗糙度、叶片上冠相贯面偏差、叶片下环相贯面偏差、叶片进水边各断面高度偏差、叶片重量等；（3）叶片超声波和磁粉探伤报告；（4）转轮叶片正常检修补焊和打磨防变形有关工艺资料。

17.成品叶片出厂时，须提供2块同材质的标准试块。

混流泵叶片优化设计方案对提高混流泵性能、降低混流泵运行时产生的噪音与振动和提高机组的安全稳定运行提供理论支撑，为今后混流泵的优化设计奠定了一定基础和为企业提供了一套完整的混流泵的优化设计理论和方法。

1.叶轮参数化造型叶片参数化在自动优化中是极其重要的一步。

自动优化中可以选择参数化叶片中的各自有参数进行优化，并以初始参数化叶片为模板进行叶片几何造型、网格划分、流场计算等。

一般在优化设计中，叶片参数化拟合需要一个初始叶片为模板进行拟合，所以首先要根据已有参数设计出一个叶片，然后对叶片用参数化方法去表达，通过对端壁型线、流面控制线、堆叠规律和翼型型线的控制来参数化叶片。

在旋转机械中，可以将叶片角作为可变自由参数，前缘到尾缘的叶片角能很TP唐健.TIF；%30%30；Z5mm，YTS（JZHT7.H图1TS）大程度上影响泵的性能。

之前的研究表明叶片的厚度对泵的水力效率影响不大，所以在本文的参数化拟合中，初始叶片的厚度设置为不变，同样轮缘和轮毂的子午面和出口直径也保持不变。

本文所研究的叶片参数化造型拟合分为两步完成，分别是初始参数化拟合和二次参数化拟合。

参数化后模型如图1所示。

2.性能分析2.1网格划分。

为了提高数值模拟的计算速度和优化过程中有效样本的数量，首先在划分网格时，就采用了多重网格技术。

多重网格方法是提高计算效率、加快收敛方面的一个非常有效的方法。

确定叶轮转速为490r/min、叶片数为6、叶片展向节点数为43和边界层网格单元大小，完成网格的制作，划分得到的叶片网格数为607469。

2.2边界条件设定。

边界条件是指流体在运动或静止的边界条件上给予的确定性条件，所以边界条件的参数直接影响了求解过程和得到的结果。

对导叶式混流泵进行数值模拟，流体介质为清水，密度为997kg/m3，边界条件设置如下：（1）进口边界条件：静态温度为293K，湍流粘度为1e-6m2/s，叶轮进口采用速度进口，速度方向垂直于叶轮进口。

/trade/pay_success.htm?biz_order_id=213979720000462&out_trade_no=T200P213979720000462&dealing=T第一节混流式水轮机结构一、概述混流式水轮机是反击式水轮机的一种，其应用水头范围很广，从20~700m水头均可使用。

它结构简单，制造安装方便，运行可靠，且有较高的效率和较低的空蚀系数。

现以图2-1所示的混流式水轮机为例来介绍这种水轮机结构。

水轮机的进水部件是具有钢板里衬的蜗壳，座环支柱也称固定导叶1，在转轮四周布置着导水机构导叶2。

座环支柱具有坚固的上环a和下环b，蜗壳和上下环焊接在一起。

导叶轴颈用衬套（钢或尼龙材料）支承在底环3和固定于顶盖4的套筒5上。

底环固定于座环的下环上面。

顶盖用螺钉6与座环的上环连接。

导水的传动机构是由安置在导水叶上轴颈的转臂12，连杆13和控制环14组成。

导叶的开度0a（从导叶出口边端到相邻导叶背部的最短距离）的改变是通过导水机构的两个接力器16和控制环连接的推拉杆15传动控制环来实现的。

图2-1 HL200-LJ-550水轮机剖面图（高度单位：m，尺寸单位：mm）1—固定导叶；2—导叶；3—底环；4—顶盖；5—套筒；6—螺钉；7—主轴法兰；8—主轴；9—上冠；10—下环；11—叶片；12—转臂；13—连杆；14—控制环；15—推拉杆；16—接力器；17—导轴承；18—泄水锥；a19,b19—上，下迷宫环；a—坐环上环；b—坐环下环；20—连接螺栓由于混流式水轮机应用水头较高，导叶承受的弯曲载荷大，因此导叶的相对高度0b与轴流式水轮机比较起来做得短一些，以减小跨度。

此外，随着水头增高，相同功率下水轮机的过流量减小，这样有可能减小流道的过流载面。

0b一般随水头增加而减小。

导叶和水轮机顶盖4及底环3之间的间隙及相邻导叶在关机时的接合面都会有漏水现象。

一般采用橡胶的或金属制成的密封件，可使导水机构关闭时的漏水量最小。

基于UG的混流式水轮机转轮叶片三维建模作者：喻智锋张建蓉苏博来源：《软件导刊》2017年第12期摘要：针对混流式水轮机转轮叶片形状复杂、实体造型困难的问题，以混流式转轮叶片平面木模图为基础，利用UG软件这一交互式CAD/CAM系统，采用创建叶片表面的网格线和“通过曲线网格”特征，最终生成叶片表面曲面形状的方法，对已有的混流式转轮叶片木模图进行了叶片的三维建模。

结果表明，采用此法建立的模型精确、完整的反映了叶片的曲面形状，和实际情况吻合，为混流式水轮机机组水力性能预测、CFD流动分析、刚强度计算分析等奠定了可靠的基础。

关键词：混流式水轮机；转轮叶片；UG；木模图；三维建模DOIDOI：10.11907/rjdk.172834中图分类号：TP319文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2017）012-0175-04Abstract：Aimed at the difficulty in building a 3D model of the Francis turbine runner blade due to the complexity of the blade’s shape， in this paper， the UG software， an interactive CAD/CAM system， is used to build a 3D model of the blade based on its 2D wooden pattern drawing by methods of creating the Curve Mesh and “Through Curve Mesh” feature of the blade surface and finally generate the blade surface shape. The result shows that the blade’s surface shape is accurately and completely reflected by this 3D model established by the above method and the model is accordant with practical circumstances.The result also provides a reliable basis for performance prediction of Francis turbine unit， CFD analysis of flow， calculation and analysis of stiffness and strength， etc.Key Words：Francis turbine； runner blade； UG；wooden pattern drawing；3D Modeling0 引言转轮是水轮机能量转换的关键部件，叶片是转轮的重要组成部分。

混流式水轮机转轮s1流面上叶片设计的准三元方法
混流式水轮机转轮S1流面上叶片设计的准三元方法是一种用于计算混流水轮机转轮S1流面上叶片的新方法，它采用高效的准三元运算来计算叶片的尖端形状、尖端张角和叶面半径。

这种方法能有效地避免因叶片尖端复杂形状带来的工作量大、计算繁琐等问题，为设计者提供了一种新的思路和方法。

混流式水轮机转轮S1流面上叶片设计的准三元方法主要包括以下步骤：
1. 确定叶片尖端形状。

根据叶片尖端形状，可以利用准三元计算得到尖端张角和叶面半径。

2. 确定叶片尖端张角。

需要将叶片尖端形状中所有的角点和折点的坐标转换为准三元曲线的控制点坐标，然后利用准三元算法计算出尖端张角。

3. 确定叶面半径。

叶片尖端张角已经确定，叶面半径也可以通过准三元算法得出。

4. 确定叶面形状。

叶片尖端形状和叶面半径已经确定，可以利用准三元算法来计算叶片的形状。

5. 校核叶片尖端形状和叶面形状。

根据计算出来的叶片尖端形状和叶面形状，可以进行校核，确保设计符合设计要求。

混流式水轮机转轮S1流面上叶片设计的准三元方法是一种利用准三元算法计算混流水轮机转轮S1流面上叶片的新方法。

它不仅能够很好地避免叶片尖端复杂形状带来的工作量大、计算繁琐等问题，而且能够更有效地计算出叶片尖端形状、尖端张角和叶面半径，为设计者提供了一种新的思路和方法。

高水头长短叶片混流式转轮短叶片的多学科优化转轮是水力机组的核心部件,也是水电运行中最容易受到破坏的部件。

新型转轮需要尽量提高效率,改善空蚀、磨蚀和应力集中等问题以改善整体性能,达到机组安全、经济的运行指标。

带有短叶片的转轮具有高效区较宽、振动小、抗空蚀磨损等优势,发展前景广阔。

在水力机械优化设计过程中,优化中的两个重要的学科是水力性能和结构性能。

为了探索更好的水轮机优化设计路线,缩短研发周期,确保机组稳定、高效运转,本文基于多学科优化设计方法,同时考虑水轮机转轮的水力性能和结构性能,对高水头混流式水轮机转轮短叶片进行多学科优化设计。

本文采用CFD计算与FEM分析相结合的优化流程,以提升转轮整体性能,优化中将包括上冠下环在内的转轮整体考虑进去,以得到与实际更接近的应力分布。

通过采用UG二次开发的Open Grip语言编译程序对叶片几何进行参数化,运用Bezier曲线拟合叶片各截面几何翼型骨线,实现转轮的参数化。

优化自变量为短叶片翼型骨线外形、翼型头部偏移量、翼型相对厚度,约束条件为进出口总压差,优化目标为转轮效率、转轮叶片最低静压值和转轮最大静应力,进行学科间耦合信息传递及各学科的分析,运用NSGA-Ⅱ多目标遗传算法展开全局寻优从而得到最终优化结果。

本文基于NSGA-Ⅱ多目标遗传算法分别对三个工况下的转轮进行优化,再通过超传递近似法对不同几何在三个工况下的优化目标进行加权,对加权目标函数进行比较,最终的优化几何选取大流量工况下优化的几何。

优化后的结果显示,优化后的转轮效率得到提高,最低静压得到提升,最大静应力有所降低,转轮的整
体性能得到了提高,对水轮机转轮短叶片多学科优化设计的工程应用进行了一定的探索。

/trade/pay_success.htm?biz_order_id=213979720000462&out_trade_no=T200P213979720000462&dealing=T第一节混流式水轮机结构一、概述混流式水轮机是反击式水轮机的一种，其应用水头范围很广，从20~700m水头均可使用。

它结构简单，制造安装方便，运行可靠，且有较高的效率和较低的空蚀系数。

现以图2-1所示的混流式水轮机为例来介绍这种水轮机结构。

水轮机的进水部件是具有钢板里衬的蜗壳，座环支柱也称固定导叶1，在转轮四周布置着导水机构导叶2。

座环支柱具有坚固的上环a和下环b，蜗壳和上下环焊接在一起。

导叶轴颈用衬套（钢或尼龙材料）支承在底环3和固定于顶盖4的套筒5上。

底环固定于座环的下环上面。

顶盖用螺钉6与座环的上环连接。

导水的传动机构是由安置在导水叶上轴颈的转臂12，连杆13和控制环14组成。

导叶的开度0a（从导叶出口边端到相邻导叶背部的最短距离）的改变是通过导水机构的两个接力器16和控制环连接的推拉杆15传动控制环来实现的。

图2-1 HL200-LJ-550水轮机剖面图（高度单位：m，尺寸单位：mm）1—固定导叶；2—导叶；3—底环；4—顶盖；5—套筒；6—螺钉；7—主轴法兰；8—主轴；9—上冠；10—下环；11—叶片；12—转臂；13—连杆；14—控制环；15—推拉杆；16—接力器；17—导轴承；18—泄水锥；a19,b19—上，下迷宫环；a—坐环上环；b—坐环下环；20—连接螺栓由于混流式水轮机应用水头较高，导叶承受的弯曲载荷大，因此导叶的相对高度0b与轴流式水轮机比较起来做得短一些，以减小跨度。

此外，随着水头增高，相同功率下水轮机的过流量减小，这样有可能减小流道的过流载面。

0b一般随水头增加而减小。

导叶和水轮机顶盖4及底环3之间的间隙及相邻导叶在关机时的接合面都会有漏水现象。

一般采用橡胶的或金属制成的密封件，可使导水机构关闭时的漏水量最小。

清华大学学报(自然科学版)25/26　　1997年第37卷Jo urnal of T sing hua U niver sity (Sci &T ech)第3期第102～105页　混流水轮机转轮叶片最优化设计*陈乃祥,　林汝长,　罗兴琦清华大学水利水电工程系,北京100084 收稿日期:1996-02-09 第一作者:男,1945年生,副教授　*国家自然科学基金项目(59379409), 三峡基金资助项目(59493700)文　摘　用计及叶厚、有限叶片数影响及来流有旋的全三维设计理论及最优化技术中的单纯型法寻优,用SWIF T 法将反映包角、叶片流速及流动分离等约束的等式和不等式约束条件计入目标函数,以V H r 的分布为优化参数进行混流式水轮机转轮最优化设计的初步尝试。

给出了理论、方法及算例,其中包括分别按汽蚀性能优化和按损失最小优化及多目标优化的结果。

其中损失计入叶片正、背面及上冠下环的沿程损失和叶片进口撞击损失、出口扩散损失。

关键词　全三维;最优化;水轮机转轮;有旋流动分类号　T K 730.2水轮机转轮的最优化设计是在一定前提条件下,在一切可能设计出的转轮中设计并选择出性能最优的转轮。

而最优化设计计算必须解决以下几个问题:1)提出最优化标准、并进行量化、亦即目标函数值计算;2)最优化是在什么前提条件和限制条件下进行的,并应数模化;3)用什么方法尽快求出最优解,即选择最优化方法,本文针对水轮机转轮叶片设计,以V H r 为被优化参量,在转轮流道形状给定的前提下,进行叶片最优化设计,文中分述了设计方法、目标函数、约束条件及计算结果的简要分析。

1　转轮叶片设计模型设计模型对设计成的转轮特性可控制程度起着关键作用,所以本文选择全三维反问题设计模型进行最优化设计计算。

现将模型简述如下:参考文[1,2]建立来流有旋的全三维反问题设计模型。

在不可压、无粘流假设下,设来流涡量为81,将转轮内的三维流动分解为周向平均流动和周期性脉动流动,并用置于叶片中面的源(汇)Q 及涡82分别代替叶厚及叶片对水流的作用,则涡场8和源汇Q 为8=81+8-1+8~2(1)Q =Q -õ+Q ~õ(2)8~2+Q ~õ=(8-2+Q -õ)M (s )(3)其中8-2,Q -õ分别为82,Q õ的周向平均分量,8~2,Q ~õ分别为其周向脉动分量,其中M (s )=2Re 6+∞k =1exp (i K Bs ),s =H -f (r ,z ),当s =0,H =f (r ,z )时即为叶片中面方程,r ,H ,z 为圆柱坐标三分量,则可得到以下支配方程:1)由81,8-2,Q -õ产生的二维流动根据涡、源的定义、Chebsch 转换、流函数U 及势函数5的定义可得到下述方程$2U =-r [$s õ$(V H r )]-r [(W-z +W -H r 9f 9z )9E -r 9r -(W -r +W -H r 9f 9r )9E -r 9z]/W -2(4)$25=Q -õ=B [9(t H W -*r )9r +9(t H W -*r )9z ]/2P r (5)该两式的边界条件根据上冠、下环为流线、进口W -z =0及出口参考试验结果或计算给出。