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大型混流式水輪機轉輪用鑄鋼件夾雜缺陷預測與工藝優化 沈 旭,魯文濤,殷亞軍,計效園,萬鵬,周建新(華中科技大學 材料成形與模具技術國家重點實驗室,湖南 長沙 430074) 摘 要：水輪機轉輪用鑄鋼件是大型混流式水輪機的關鍵部件，是水流動能轉化為電能的主要運動裝置，如何高效、高質地制造水輪機轉輪用鑄鋼件是高效、長效發電的基礎。

水輪機中強大的振動和壓力脈動可能給機械的性能、壽命和安全造成嚴重的不利影響。它會導致噪聲、裂紋乃至機械故障。全球領先的水電設備、技術和服務供應商之一，Voith Hydro 公司觀察到，強烈振動可能導致混流式水輪機導流葉片出現疲勞裂紋。在立軸混流式水輪機中，水從水平方向流入螺旋形管道（蝸殼），其環繞在旋轉轉輪周圍。靜態的導流葉片用于調節并將水流導向轉輪的外沿。

3、水輪機的空化 不同水頭、導葉開度下的空化狀態 空化-效率曲線計算 空化引起的壓力脈動 ANSYS軟件可以進行水輪機全流道空化流計算，得到內部兩相空化流場的詳細情況，預測水輪機的空化性能。

介紹 在水電領域，水輪機主要用于將落水的能量轉化為旋轉機械能，然后再轉化為電能。混流式水輪機或反應式水輪機屬于出現在高達 800 MW 功率范圍內的水輪機類別。這些渦輪機的特點是徑向流入、入口葉片、轉輪和通過尾水管的軸向流出。它們可以在很寬的時間范圍內快速響應任何負載變化。 圖 1.

圖2 余能回收水輪機全流道模型 某輸水管網末端壓力較高，經測量可利用壓頭約31m，平均流量為720/h，采用余能回收水輪機進行發電回收富裕的能量。基于一元理論得到軸面流線并分為若干段，然后按照參數化設計方法對每個微元段進行計算，最終得到葉片骨線坐標。

下圖顯示了CFD模擬的水輪機效率與試驗測量獲得的水輪機效率的比較。本例共研究了10個水輪機流量，對應于10個導葉開口角度。 仿真結果#4——子午流面平均 對水輪機模擬結果的另一個重要評估是子午流面上各物理量的可視化云圖。

最終，從效率和導水機構、葉片、尾水管等水輪機關鍵部件等CFD計算結果來看，效率符合水輪機外特性曲線，在小開度下易脫流并產生卡門渦街。

最終，從效率和導水機構、葉片、尾水管等水輪機關鍵部件等CFD計算結果來看，效率符合水輪機外特性曲線，在小開度下易脫流并產生卡門渦街。

現代發電用水輪機可以分為兩類，沖擊式水輪機和反擊式水輪機，沖擊式水輪機主要由水流的動能做功，做功過程中壓力基本保持不變；反擊式水輪機則由水流的動能和壓力能共同做功。

由于水輪機體型大、結構復雜、具有許多運動部件及葉片，內部產生的流場十分復雜，因此目前通常使用計算流體力學CFD仿真的方法來研究水輪機的內部流場情況。本案例使用CFD仿真軟件，在Francis-99水輪機尾水管內以數值方式重建旋轉渦帶，并根據實驗結果驗證。用于驗證的實驗結果由挪威科技大學搭建的Francis-99水輪機實驗臺架公開案例提供。

一、基于Star-ccm+的旋轉水輪機數值模擬導讀：STAR-CCM+是一款當前比較流行的計算流體力學軟件，該軟件在旋轉機械領域具有很大的應用場景，本文基于STAR-CCM+軟件中的運動參考系的方法來實現旋轉水輪機的數值模擬，過程涉及變參考系旋轉實現方法，基于VOF方法的水力空化模擬方法以及相關后處理方法等。

由于水輪機體型大、結構復雜、具有許多運動部件及葉片，內部產生的流場十分復雜，因此目前通常使用計算流體力學CFD仿真的方法來研究水輪機的內部流情況。 本案例使用CFD仿真軟件，在Francis-99水輪機尾水管內以數值方式重建旋轉渦帶，并根據實驗結果驗證。

PART01 水輪機軸鍛造工藝的挑戰與機遇水輪機軸作為水力發電設備的核心部件，不僅是能量轉化的物理載體，更是水電系統安全與經濟性的基石。其設計、制造與維護水平直接決定著機組的發電效率、使用壽命及抗風險能力。在鍛造工藝方面，水輪機軸面臨諸多技術挑戰，尤其是大型鍛件（直徑可達1.5米，長度超過10米）易出現成分偏析和晶粒粗大等問題。

PART01水輪機軸鍛造工藝的挑戰與機遇水輪機軸作為水力發電設備的核心部件，不僅是能量轉化的物理載體，更是水電系統安全與經濟性的基石。其設計、制造與維護水平直接決定著機組的發電效率、使用壽命及抗風險能力。在鍛造工藝方面，水輪機軸面臨諸多技術挑戰，尤其是大型鍛件（直徑可達1.5米，長度超過10米）易出現成分偏析和晶粒粗大等問題。

為了確定水輪機載荷，通過STAR-CCM+ 數值模擬得到本文水輪機側向力（見圖 5）和推力曲線（見圖 6）。根據所得數據將水輪機在相應流速下所得載荷按照定常力和力矩的形式加入數值模型中。

實現顆粒流在滾筒中圍繞兩個中心軸旋轉：共軸自轉和公轉，以及不共軸自傳與公轉。不共軸自傳與公轉的實現通過spin即可實現。共軸自傳和公轉，由于命令會覆蓋；必須通過寫一個基于vertx位移變化的函數來實現。

噴霧流化床：頂部有霧化噴槍，將液態物料霧化后噴入流化床，使液態物料在床內顆粒表面形成液膜并發生碰撞聚結，實現混合、制粒、干燥等過程一體化。流化床在各行各業均有非常豐富的應用場景，以下羅列幾個主要場景： 干燥領域：如單層圓筒型流化床干燥機適用于松散顆粒的干燥；多層圓筒型可對熱敏性物料分段控溫干燥；臥式多室型能滿足高濕濾餅、黏性物料的干燥，停留時間可調。

因此，優化機組動靜設計間隙，可有效防止固體顆粒侵蝕，實現再熱第1級的無老化設計，提高持久效率（見圖3）。圖3 改進前及改進后固體顆粒軌跡 2.1.1.3 主汽閥濾網采用新型永久性濾網 新型永久性濾網能夠有效防止大顆粒固粒進入通流部分，避免大固體顆粒對通流部分靜葉和動葉的侵蝕破壞，保持通流持久高效（見圖4）。

CFD-DEM 可模擬顆粒-顆粒之間，顆粒-容器之間的碰撞 可模擬顆粒在流體介質中的堆積和分離現象 可模擬顆粒和流場的相互影響 可追蹤單獨或一群顆粒的在流場中的運動軌跡 可計算顆粒受到的流體力