轴流式水轮机叶片翼型参数化设计

詹诗文

摘要：我国水力资源丰富，水能开发工作稳步推进，与发达国家相比，依旧存在一定不足之处。目前，随着我国对这方面的支持进一步加大，水电开发工作日益加快。本文主要介绍了我国轴流式水轮机发展现状，然后展开轴流式水轮机叶片翼型参数化相关设计，建立相应的模型，生产3D水轮机叶片，节约時间和制造成本。

关键词：轴流式水轮机;翼型;参数化设计

0  引言

目前，我国水利资源丰富，水电建设工作已经取得一定进展。自从20世纪云南水电站建设至今，已经经历了100多年的发展，我国已经成为世界水电第一大国。但是根据相关研究，我国水电开发利用率较低。轴流式水轮机作为现阶段水电开发的重要机械，需要技术人员格外注重，综合提高管理能力。

1  轴流式水轮机发展现状

轴流式水轮发电机在20世纪便已经由奥地利科学家提出，这种机械可以自动调整螺旋桨叶片和导叶，通过自身结构来获取更高的收益。与其他内流反击式水轮机相比，这种水轮机可以有效提高水利资源利用率，从动能和势能上都可以获取能量。在实际应用中，这种机械设计有效结合径向和轴向两种水轮机拥有的功能，实现了自身结构的创新。

在水利设施应用中，相同的水头下，这种轴流式水轮机与混流式水轮机在过流能力上存在差异，轴流式水轮机的过流能力较大，而混流式水轮机的空化性能较强。这种结构设计简单，并且在水利工程中应用广泛，造价相对于混流式水轮机较低。但是这种水轮机叶片随着角度的变化而改变，适用于水负荷变化小的水电站。

轴流式水轮机在使用中，由于自身属性，整体建设工作与企业水头较高的水轮机相比，具备很多优势。这种水轮机配备水电站，在建设过程中需要开挖的深度较低，可以有效节约资金，提高资源利用率。

2  轴流式水轮机叶片参数化设计

2.1 轴流式水轮机2D翼型参数化初步设计

轴流式水轮机2D翼型参数化设计工作是整个叶片设计的第一步，也是最为关键的一步，只有打好了根基，才能有效提高水轮机叶片设计。在设计阶段对翼型进行参数化设计，可以实现3D叶片的参数化建模。通过对现有叶片进行翼型分析，完成水轮机2D翼型初步设计工作。

通过对某四叶片水轮机的相关研究，可以得到图1所示水轮机截面。

对这段截面展开翼型展开分析，可以得出整个翼型的中轴线，方便确认骨线的位置。通过对截面的研究，在单叶片上，翼型的相对厚度是不一样的，两者之间存在类似的变化趋势。即：相对厚度之间存在最大值，随着截面半径的逐步增大，叶片的最大厚度呈现下降的状态。

Bezier曲线是计算机绘图中的重要曲线，通过矢量图来实现图形的绘制，这种智能化的矢量图能够提高工作效率，实现图形编辑工作。熟练使用参数化设计方法，对翼型分析结果展开，特征参数设置为最大厚度，在整个翼型绕流分析中，注重最大厚度点附近出现的边界脱离现象。

通过对翼型展开分析，将其有效划分为四段，分别进行参数化相关设计。通过分析最大厚度曲线的相关数据，可以使用多项式展开图形的拟合，对整个曲线进行研究，可以得到各段参数的拟合结果。

通过以上研究，可以得出曲线参数化设计方法，来提高不同翼型之间的参数化验证，提高整体设计的适用性。

通过参数化设计，与之前的原始机型之间展开分析，可以得出参数化设计的翼型比原始翼型的性能更好。在5度的攻角下，参数化翼型与原始翼型之间，助力系数的变化趋势一致，但是随着角度逐渐增强，参数化翼型的设计原始翼型低了20%。总体上，两者差距随着升阻比的变化，差距进一步加大。参数化设计翼型与原始翼型之间进行模拟，参数化翼型设计比原始翼型具备更好的效果。

根据相关分析，可以得到如下结论：第一，无论翼型的攻角为多少，整个翼型的上表面压力相同，但是下表面会随着翼型的几何变化，发生相应的变化。参数化设计翼型的后部压力与原始翼型之间相比，显得更小，所以参数化翼型产生的升力较小。第二，在水平方向，压力分布下相同，相应的阻力分析也是相同。第三，水轮机参数化设计翼型与原始翼型之间存在差异，主要是由于后部几何偏差造成。

2.2 轴流式水轮机2D翼型参数化优化设计

通过对上文描述的2D翼型参数化设计，需要进一步优化，来实现轴流式水轮机叶片翼型设计工作。由于之前得出的结论，后半部翼型之间存在较大差异，造成压力不均匀，影响到整体工作的稳定性。需要增加相应的控制点数量，来实现整体方案的优化。（图4）

在优化过程中，需要判断该翼型是否适用，对其展开分析判断，及时验证是否符合相应的要求。（图5）

优化之后的设计，大为改善了初步设计中存在的误差，后期的拟合精度有效提升，符合相关设计的需要。分析结果表示，两者之间存在一定的相似程度，高达86.3%，改进后的相关设计，在不同攻角下，升阻比差距不大，在5度的攻下两者的升阻比变化趋势一致，当升阻比提升到1.15的时候，原始机型会降低5%，参数化设计基本相同，原始翼型在相应的升阻比可以稳定增长速度，优化自身设计。总之，优化之后的翼型与原始设计之间存在紧密联系，相对于之前的结果，优化过后的翼型在升阻比之上有了一定改善。在三个翼型攻角的时候，参数化设计翼型与原始翼型之间的升力系数大了3%，同时助力系数与原始翼型相比，有了10%左右的差距，但是两者数值较小，并不存在一定的误差，在攻角为5度的时候，升阻比较小的为参数化翼型升阻比，参数化翼型工作的气动性优于原始翼型。

优化后的翼型在设计中，与原始翼型之间颇为类似，避免了设计阶段出现较大误差，整体性能之间有了较大改善，气动性能较为优异，对优化后翼型展开场流分析，不同攻角的压力系数不同，与原始翼型之间相比，参数化设计翼型的性能更为优异。而在其他方面，两者之间并不存在较大差异。优化后的翼型在外形上更为准确，在气动性能上，升阻力系数有了提高，和原始翼型之间的差距不大，为后续的参数化造型设计提供了可靠保障。

2.3 轴流式水轮机3D叶片的参数化设计

对翼型安放角进行参数化分析，可以得到相应的变化规律，展开现有轴流式水轮机叶片分析，可以得到相应的分布规律。仅仅采取翼型安放角是不够的，还需要设置相应的最大厚度分布规律，来实现3D参数化造型方法。

在水轮机不同截面之间，采用二阶多项式展开拟合，对3D叶片展开建模工作来实现3D叶片模拟，得到整个轴流式水轮机外部轮廓。

对结果展开模拟，选择合适的叶片进行实例分析，将叶片的水力特征展开分析，对不同的叶片效果展开比较，选择最优的模型。

叶片的翼型最大厚度与截面半径之间，不同翼型最大的厚度与截面半径之前存在一定数量关系，具体表现为最大厚度与截面半径平方之间存在反比关系。而翼型的隆起高度与最大厚度之间，存在正比例关系。对翼型展开参数化分析，结合相应的条件，可以得出相应的翼型3D模型。在对模型进行分析的时候，叶片的功能力比厚叶片强很多，在后期设计中，考虑到相应的需求，可以选用内侧截面作为标准翼型截面，这种叶片只有表面存在不贴合叶片表面，其他地方还是可行的，适合整体设计的需要。

3  结论

总而言之，现代轴流式水轮机设计工作，通过参数化设计，可以稳步提升设计效果。如今轴流式水轮发电机是时代的发展方向，做好设计工作对于水利资源的利用有实际意义。通过对现有翼型展开截取，获得原始翼型，进行参数化设计之后，进一步完善，得到相应的参数化设计，来实现轴流式水轮机叶片翼型参数化设计工作。

参考文献：

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