CFD数值模拟水轮机蜗壳三维设计

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第 1O期2013年 10月机械设计与制造Machinery Design & Manufacture l7CFD数值模拟水轮机蜗壳三维设计王 旭，周琰杰(电子科技大学 成都学院 电子信息工程系，四川 成都 611731)摘 要：阐述了混流式水轮机蜗壳内部流道的光滑性对于整机稳定运行的重要影响。在水轮机金属蜗壳的设计过程中，以模型试验数据为依据，利用CATIA软件的创成式外形设计模块，构建了光滑的蜗壳三维流场模型。与此同时，采用精度较高的 RNG(renormalization group)模型作为湍流计算模型，选用标准壁面函数处理近壁区，并选择六面体非结构化网络对整个流场进行网格划分。最后，通过 CFD数值模拟分析结果表明，该蜗壳的效率较高，水力I}生能良好，符合设计要求。为产品的生产、加工奠定了理论基础。

关键词：蜗壳；光滑；CFD中图分类号：TH16 文献标识码：A 文章编号：1001—3997(2013)10—0017—02The 3D Design for Turbine Spiral Casing Based on Numerical Simulation of CFDWANG Xu，ZHOU Yan-jie(Colege of Electronic and Information Engineering，Chengdu University of Electronic Scienceand Technology，Sichuan Chengdu 611731，China)Abstract：It discassed the meaning ofspiral casing smoothness for turbine．The design process includes：first．based on thetest data，models the flowfield ofspiral casing；second，ase$the RNG (renormalization group)model as turbulence model；the third，chooses the standard wall functions．The model grid is hexahedral unstructured network．The CFD simulationindicates that the spiral casinghas 泐 pe矿。rmoltce．Provide logicalproofsforproduction andprocessing.

Key W ords：Spiral Casing；Smoothness；CFD1引言对于混流式水轮机的引水部件一蜗壳而言，过流表面越光滑，机组的水力性能(效率、气蚀、稳定性等)越好[1]。然而，蜗壳的流道形状是由非规则的几何曲面构成 ，各断面之间，存在着比较大的扭曲度。所以，如何保证流道的光滑性，设计出合理的产品，是一个值得探索的问题。鉴此，以某 8MW的混流式水轮机金属蜗壳为例，构建了金属蜗壳的流场三维模型，并进行数值模拟，验证了产品设计的合理性 ，为后续的生产、运行提供了理论依据。

2蜗壳三维模型的构建水轮机金属蜗壳是由各相邻断面之间的壳节焊接而成 。因此，模型的绘制分为2个基本步骤：(1)以电站的水头 日、流量 Q、转轮直径D等参数为依据，按文献目(蜗壳主要参数的选择)中所述方法以及水力模型试验确定各断面的形状和尺寸，并绘制出草图；(2)利用CATIA软件中的截面扫掠命令，生成壳节。

2．1蜗壳断面的绘型已知某电站的部分相应参数(如水头H=62m，流量 Q=15m／s3等)。因此，结合上述内容，确定蜗壳断面形状(圆形)、包角以及尺寸并绘制出各截面。

2．2蜗壳流道三维模型的生成完成蜗壳断面型线绘制之后，在CATIA的创成式外型设计模块中，利用多截面(或桥接、扫掠等)等功能，搭接断面，并在相邻断面之间的出水边处 ，以样条曲线作为引导线，可以提高壳节的光滑质量 。构建的蜗壳流道三维模型，如图 1所示。

图 1蜗壳流道模型Fig．1 The 3D Model of Flow3蜗壳的流场数值模拟计算蜗壳的流道三维模型，对于产品的成形而言，主要是将每段壳节的延展来作为生产的依据。因此，能否生产出水力性能良好的产品，模型的光滑性至关重要，必须对其流道进行模拟来判断。

以某设计工况为例，进行流场 CFD分析。

3．1湍流模型的选择该模型的计算中，湍流模型采用目前在工程应用中最为广泛，且精度较高的RNG(renormalization group)k一8模型i61，其运输来稿 日期：2012—12—14基金项目：四川省科技厅应用基础项 目(04JY029-054)作者简介：王 旭，(1982一)，男，四川内江人，硕士，助教，主要研究方向：机械设计及其自动化18 王 旭等：CFD数值模拟水轮机蜗壳三维设计 第1O期方程为：+ ：毒【 )等]+Gk-ps ㈩+ =鲁( 等 2)i k ． 如＼? 出／。 “ ?～式中：“厂一湍流涡粘系数；．i}一湍流脉动动能：s一湍流耗散率；G —平均速度梯度引起的湍动能的生成项；— 有效精j生系数。

3_2近壁区的处理近壁区用标准壁面函数，壁面切应力方程为：A (3)(4)式中： ，一离开壁面第一个节点．在平行壁面方向上与壁面相应点的速度差； —第一节点刮壁面的距离； 一粘性长度；C 0．09；E=8．143。

3．3网格的划分网格划分是在模型构建完成以后 ，对计算区域在空间上进行离散 『。采用六面体单元的非结构化网格划分整个流场采用六面体单元的非结构化网格划分整个流场，如图3所示。

图 2流场网格划分Fig．2 The Mesh Generation of Flow4计算结果的后处理4．1流场速度压力分布计算结果的后处理 ，本质是对整个流场模拟的图像结果显示。通过迭代计算，得到蜗壳内部流场的速度压力分布规律，如图4～图 7所示。

图3速度分布图Fig．3 Velocity Distribution图4速度矢量图Fig．4 Velocity Vector图5压力分布图Fig．5 Pressure Distribution图6等压线分布图Fig．6 Isopiestie Line4。2计算结果分析(1)由图 3～图 4所示，水流从蜗壳进口至出口，流动比较顺畅，形成了一定速度环量 ，并且在出水边沿圆周方向速度分布比较均匀。

(2)由图5～图 6所示 ，蜗壳从进入弯段至出水边，压力分布呈均匀降低的趋势，并且出水边处的压力沿整个圆周方向呈现较好的对称性，压降较小，水头损失较低。

综上所述，该蜗壳的水力性能良好 ，建立的模型满足设计要求。因此，可以该模型为基准，将壳节延展成平面进行尺寸标注。

5结论建立了某 8MW 的混流式水轮机金属蜗壳流场三维模型，并对其进行了流场 CFD分析。计算出了内部流场的速度压力分布规律，得出模型水力性能良好的结论，为后续壳节的延展设计以及生产过程中的工艺改进(如采用抗气蚀性较强的材料等)，提供了理论依据。

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2006(3)：7-11． (下转第 2l页)五l^上
蛾上pNO．1OOct．2013 机械设计与制造q =仇 。AD (8)式中：r／ 一容积效率； —扭角系数；c 。—螺杆压缩机的面积利用系数；A一阳转子的长径比；D广 阳转子的外径，m。

其中，叼．，受型线种类、喷油与否、压差、转速、气体性质等众多因素的影响。在实际计算中，可参照类似型号机器的试验数值选取。通常是叼，．=0．75加．95目。

可凭取得的扭转角 r- ，查找曙 到。

．
可由公式 ：刍，A。。、A02如图2所示求得。且DD，已知；分析实际容积流量q 的定义后，可知q~=Qj。则，由式(8)可以求得长径比A，进而求得螺杆转子螺齿部分的长度为：￡ =ADl (9)阳转子扭转角为：，rl =360。× (10)即可求得f若，250。 r。 300。，且求得的rlz与初选的 r。 相比较，误差在允许误差范围内，则对 。 进行圆整后，就是设计所需的阳转子扭转角。

若，250。 rlzs300。，且 rlz与 r 加相比较 ，误差大于允许误差范围。则，将．r， 取为下一轮计算的初选f。∞，重复上述的求解阳转子扭转角的计算过程。

若，rm<250。，则取阳转子扭转角为 ~m=250。；若 ，~m>300。，则取阳转子扭转角为 rlZ=300。

至于，阴转子的扭转角，则可以知道其为：flz=打lz (11)6结束语对 3—5齿转子扭转角的计算和选择方法进行了探讨。可以有效地帮助设计人员取得较适合的转子扭转角参数，从而缩短了产品的设计周期，提高了所设计螺杆压缩机的工作效率和市场竞争力。

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