2　轴流转桨式水轮机转轮改型设计

转轮改型设计是基于BladeGen软件中拟合曲线对叶片翼型（包角和安放角）进行参数化，通过调整翼型控制参数值改变转轮叶片形状[4]，获得新转轮水力模型。以轴流转桨式水轮机水力效率值作为目标对其整体性能进行预估。水轮机水力效率计算公式为

式中：Pu为有效功率；P为轴功率；Q为流量；H为水头；Pinlet为进口处总压；Poutlet为出口处总压；M为转轮绕中心轴的力矩之和；ω为转轮角速度。

将新水轮机转轮模型进行全流道三维定常湍流计算，根据数值计算数据综合考虑叶片表面压力分布及流场分布不断优化翼型控制参数。通过反复改变翼型参数、数值模拟计算、叶片改型设计的过程，最终得到设计工况下水力性能良好、高效稳定运行的新转轮模型。

图3～图5为改型前后转轮在运行工况下叶片20%、50%、80%展向上翼型压力分布对比图，从图中可以得知初始转轮叶片翼型头部出现不同程度的冲角，进口压力的突变会导致低能流体在翼型头部的积聚，随着低能流体向下游扩散也会导致叶片表面产生新的低能流体。翼型尾部压力分布曲线出现交叉现象，该问题主要是由于翼型骨线安放角不合理或是涡列造成的。改型设计转轮叶片翼型压力分布较初始转轮得到显著性改善，叶片翼型头部冲角得到明显减小，尾部交叉现象得到改善，转轮叶片表面压力差呈现增加的趋势，可以预见性地说明改型设计转轮具有良好的水力性能。尽管改型后的转轮压力分布曲线出现小范围的下移现象，会造成不同程度的汽蚀问题，但可以保证在安全范围内高效稳定运行。

图3　20%展向上翼型表面压力分布对比图

图4　50%展向上翼型表面压力分布对比图

图5　80%展向上翼型表面压力分布对比图

图6和图7为设计工况下改型前后转轮叶片正背面压力分布对比图，从图中可以看出改型后转轮正背面压力较初始转轮压力分布更加均匀。初始转轮叶片进口端背面低压区非常明显，该低压区域非常容易发生汽蚀现象，对转轮叶片有强烈破坏作用，严重时会影响机组运行稳定性。通过改型后，转轮叶片背面低压区范围得到明显减小，只存在小部分低压区覆盖区域，转轮的抗空蚀性能提升，降低了空化现象的产生。得出结论：转轮叶片对流体做功能力增强，增强了水流能量之间的转换，改型设计后转轮的水力性能得到了显著性改善，对比结果验证了水轮机转轮改型设计得到成功。

图6　初始转轮叶片正背面压力分布

图7　改型转轮叶片正背面压力分布