混流式水轮机轴向水推力计算公式研究
混流式水轮机轴向水推力的模型试验研究
《 节 能 技 术 》
ＥＮＥＲＧＹ ＣＯＮＳＥＲＶＡＴＩＯＮ ＴＥＣＨ ＮＯＬＯＧＹ
Ｖｏ１．３４，Ｓｕｍ ．Ｎｏ．１９５ Ｊａｎ．２０１６，Ｎｏ．１
混 流 式 水 轮 机 轴 向水 推 力 的模 型试 验 研 究
刘 文杰 。秦坤 涛 ，徐 用 良 ，王 磊 （哈 尔滨 电机 厂有 限责任 公 司 ，黑龙 江 哈 尔滨 １５００４０）
摘 要 ：为 了研 究试 验 工况及 试验 条件 对 混流 式 水轮 机模 型 转轮 轴 向水推 力 的影响 ，特别是 对 用于模 型和 原 型之 间进行 换 算 的单位 轴 向水动 力 的影 响 ，采 用静 态压 力传 感 器测 量模 型 转轮 各 部 分 的 受 力 ，并将 转轮 作 为一 个控 制体 的理 论 分析 方 法 ，通过 改 变试 验 水 头 、空 化 系数 、导 叶 开度 、单 位 转速 等 试验 参数 的 方式进 行 了模 型试验 。试验 结 果表 明 ：转轮 各部 分 受 力相 对 于初 始 试 验 条件 基 本 上呈 线性 变化 ；而转轮 各部 分 的单位 受 力均 与单位 转速 无 关 ，但 与其 他试 验条 件有 关 。 当空化 系数 不 变时 ，单位 轴 向水动 力 不随试 验 水 头变化 ，从 试 验 的 角度 验证 了轴 向力水动 力从模 型 到原 型 相 似换 算是 合 理 的 。
· ９１ ·
近 年来轴 向力模 型 试 验结 果 ，提 出较 正确 的原 型 轴 向力 计算 方 法 。高校 教 材 ＿６ 中给 出 了轴 向 力 的 理 论计 算公 式 ，文 献 ［７］在 水 力 设 计 和 结 构设 计 的基 础上 ，通过 理论计 算 分 析 较精 确 地 计算 出转 轮 的 轴 向水 推力 。其他 学 者 也对 轴 流 、可 逆式 等 其 他 类 型 转轮 的轴 向 力进 行 了研 究 ＿８ 。本 文 从 一 个 新 的
水轮机模型转轮轴向水推力试验方法研究
５ ｒｒｉ－９ ｒｍｉ，导 叶开 度 间隔 为 ２ ，单 ０／ ｎ ０／ ｎ ａ 。 位 转 速 间 隔 为 ５／ ｉ 行 布 点 ，通 过 调 节 ｒｒ ｎ进 ａ
测功机 的 转 速和 改 变导 叶开 度 调 整 工 况 点 ，
图 ３ 待 意器标 定装置 示意 图
当工况稳 定时 ，通过计 算 机对 各工 况 点包括 轴 向水推 力在 内 的各项 参 数 进行 采集 ，在此 基础上计 算 出单位水 推力 系数 并绘 制 在综合
维普资讯
《 东方 电机 ｝ ０ ２年 第 ３ ２０ ０卷 第 ｌ期
水 轮 机 模 型 转 轮 轴 向 水 推 力 试 验 方 法 研 究
万 兵 韩子 春 房 建 华
摘要
本 文 分 析 了水 轮 机 模 型 转 轮 轴 向 水推 力 的传 递 路 径 ，描 述 了 电 刹 法 测 定 水轮
验方法 的研 究。 ２ 试 验 原理 圉 １ 轴 向 水推 力 试 验 蓑 置 试 验 圈
在 东 方 电 机 股 份 有 限 公 司ＤＦ一２ ８水 力
与 核 工 业 部 第 九 研 究 设 计 院 共 同 研 制 开 发 的
机 械 试 验 台 上 ．安 装 着 水 布 垭 水 电 站 水 轮 机 模 型 。 该 机 组 为 立 轴 混 流 式 模 型水 轮 机 ，水 轮机 轴装在 新研制 的转动 部件 中 （ 图 １ 。 见 ） 转动 部 件 固定 在水 轮 机模 型 的顶 盖上 。水 轮 机 运行 时 ，转 轮 受 到水 推 力 作用 ，水 推力 可 分 解 为轴 向水推 力 和径 向水 推力 （ 图 ２ 。 见 ） 轴 向水 推 力 经 过 水 轮 机 轴 传 递 到 推 力 轴 承 。作 用到 转 动 部 件 外 套 ，再 通 过 顶 盖 、蜗 壳 传 递 到 试 验 台 的 立 柱 上 。经 向 水 推力 则作 用 到 转 动 部 件 的 径 向轴 承 上 。 为 了 测定 水 轮 机 的 轴 向水 推 力 ．我 们 在 转 动 部 件 中安 装 了
中小型混流式、轴流式水轮机模型参数及型谱表
， n1 (r/min)
20
95
22 24 26 28
18
90
62
12
16 14
68
72
76 78 80
30 32
85
10
82
0.04
80
84
75
Ao=8
σ =0.03
86 87 88
89
70
65
0.05
91
91
92 92.8%
90
.5
0.07
60
0.06
55
75
Ao=8
σ =0.03
89
70
90
70
60
55
600
700
800
900
1000
1100
δ =
60
55
600
700
800
900
1000
1100
模型转轮综合特性曲线
90
80
70
η = 60
δ
50
40
100
120
140
160
180
200
A244-35 转轮综合特性曲线
110
7 80 8
100
7 74 2 76
A244-35 转轮综合特性曲线
转轮综合特性曲线
δ =
δ =
δ =
δ =
η =
400
450
500
550
600
650
700
18.0
21.0
24.0
27.0
30.0
33.0
18.0
500
600
报告-轴向水推力计算
1 轴向水推力的计算表1如图1所示，混流可逆式水轮机转轮轴向水推力F w(方向向下为正)的构成可描述[1]为：F w=F1-F2-F3-F4F1=F11+F12+F13+F14F2=F21+F22+F23F3=F31+F32F4=F41+F42式中：F1—转轮上冠上表面所受轴向水推力，向下为正；F2—转轮下环外表面所受轴向水推力，向上为正；F3—转轮进、出口所受轴向水推力，向上为正；F4—转轮内腔流道表面所受轴向水推力及转轮在水中浮力，向上为正；F11—上止漏环外侧高压腔上冠上表面所受轴向水推力；F12—上止漏环齿槽处上冠上表面所受轴向水推力；F13—上止漏环内侧低压腔上冠上表面所受轴向水推力；F14—主轴密封腔内法兰盘上表面所受轴向水推力；F21—下止漏环外侧高压腔下环外表面所受轴向水推力；F22—下止漏环齿槽处下环外表面所受轴向水推力；F23—下止漏环内侧低压腔下环外表面所受轴向水推力；F31—转轮进口断面所受轴向水推力；F32—转轮出口断面所受轴向水推力；F41—转轮内腔流道(包括叶片)表面所受轴向水推力；F42—转轮在水中浮力。
轴向水推力的计算采用两种方法。
F3和F4采用ANSYS CFX软件数值模拟计算得到，而转轮上冠和下环水体计算域由于尺寸太小，采用数值模拟方法无法准确计算出结果，所以F1和F2采用解析计算方法得到。
1.1 转轮轴向水推力的解析计算(1) F11，F13，F14和F21，F23的求解转轮上冠上表面或下环外表面所受轴向水推力的公式[1]如下：F ij=π{[p0−ρ2(πK0nr030)2](r22−r12)+ρ(πK0n30)2r24−r144}式中：Fij—所求轴向水推力(即F11，F13，F14和F21，F23)(N)；r0，p0—已知点处的半径(m)和静压力(Pa)；ρ—水的密度(kg/m3)；n—转轮转速(RPM)；r1，r 2—对应腔体内、边界处的半径(m)；K—圆周速度系数，一般取0.5。
混流式水轮机结构
Q11 ，同时也改变出力限制
线的位置。图 2-6 说明了上述分析。 表 2-1 混流式转轮的叶片数与比转速的关系
图 2-6
叶片数不同时的
n f (Q11 ) 曲线
叶片数对汽蚀性能的影响没有一定规律。在叶片长度 L 不变的情况下，增加
Z 1 意味增
L 加转轮叶栅稠密度 ，即增加叶片的总面积，从而降低单位面积叶片负荷，降低叶片正背 L Z 面压差，这将改善汽蚀性能。但因混流式转轮叶栅的 本来就较大，所以因 1 增加使汽蚀
Q
N 曲线
图 2-8
不同下环锥角转轮的
Q11 曲线
f (Q11 )和 f ( N11 ) 均右移， 角越大，曲线右移 （1）下环锥角 加大则曲线
越多。此时最高效率移向较大流量区域，而在小于最优工况的低负荷区效率下降。因而转轮 需长期在部分负荷下工作，则锥角 不宜太长，以免平均的运行效率下降。 （2）下环锥角 由 3°增加到 6°时，在实际上不改变水轮机最高效率情况下可使转
式水轮机轴面投影，一般来说水轮机适应水头愈高，它的比数愈小，不同比转速的转轮其形 状是不同的。
图 2-3 不同比转速的混流式水轮机轴面投影 不管什么形状的混流式水轮机，其转轮基本上由上冠、下环、叶片、上下止漏装置，泄 水锥和减压装置组成，图 2-4 是混流式转轮结构示意图。
图 2-4 混流式转轮示意图 1— 压装置；2、6—止漏环；3—上冠；4—叶片；5—泄水锥；7—下环 1．转轮上冠 转轮上冠的作用除了支承叶片外，还与下环构成过流通道。上冠形似圆锥体，其上部中 间为上冠法兰，此法兰的上面与主轴相连，其下面固定泄水锥，在上冠上固定有均匀分布的 叶片。在上冠法兰的外围开有几个减压孔，在其外侧面装有减压装置。上冠流线可以做成直 线形和曲线形两种，如图 2-5 所示。直线型上冠具有较好的工艺性，但其效率特别是在负 荷超过最优工况时低于曲线型上冠。 此外采用曲线型上冠可增加转轮流道在出口附近的过水
数据统计下的混流式水泵水轮机主要参数计算方法
第39卷第4期水电站机电技术Vol.39No.42016年04月Mechanical &Electrical Technique of Hydropower StationApr.2016收稿日期：2016-02-03作者简介：孔凡瑞（1980-），男，高级工程师，从事水轮机设计工作。
数据统计下的混流式水泵水轮机主要参数计算方法孔凡瑞，张树邦，王威（哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨150040）摘要：混流式水泵水轮机要在水泵和水轮机两个方向运行，电站前期论证工作中很难有恰好合适的转轮与给定电站参数完全匹配。
通过对以往抽水蓄能电站机组参数的统计，归纳总结出系列公式，在未获得与电站参数相匹配模型转轮条件下给出机组主要参数合理范围，并为电站模型开发提供方向性保障。
关键词：混流式水泵水轮机；参数选择；数据统计中图分类号：TK734文献标识码：A文章编号：1672-5387（2016）04-0001-05DOI：10.13599/ki.11-5130.2016.04.0011引言随着国内电力系统发展到一定阶段，电力系统对电网的调节性能和品质要求越来越高，尤其是国内核电的发展，对电力系统中调峰调频、备用容量、削峰填谷容量等需求越来越大，而国内抽水蓄能机组容量在电力系统中所占比例却远没有达到推荐的合理范围。
2000年后，我国开始加快了抽水蓄能电站建设速度，已经兴建了多个高水头、大容量混流式抽水蓄能电站，并有大量抽水蓄能电站进入可行性研究阶段，并陆续开工建设，如河北丰宁、吉林敦化、黑龙江荒沟、安徽金寨、山东沂蒙、河南天池等抽水蓄能电站，都已进入招标或即将进入招标阶段。
因此，在抽水蓄能电站快速发展的当下，快速并准确得到机组主要参数对于设计和机组生产制造单位来说至关重要。
根据水泵水轮机自身技术特点知道，机组水泵工况和水轮机工况下机组各运行参数有较大差异。
对于给定水头、机组容量和机组转速下特定电站，一般很难找到已有的模型与之相恰好匹配，需要根据电站实际参数重新开发新转轮模型。
2012水轮机作业
第一章 绪论（一）选择题1．水轮机的工作水头是（ ）。
（A ）水电站上、下游水位差 （B ）水轮机进口断面和出口断面单位重量水流的能量差2．水轮机的效率是（ ）。
（A ）水轮发电机出力与水流出力之比 （B ）水轮机出力与水流出力之比3．反击式水轮机是靠（ ）做功的。
（A ）水流的动能 （B ）水流的动能与势能4．冲击式水轮机转轮是（ ）。
（A ）整周进水的 （B ）部分圆周进水的5．喷嘴是（ ）水轮机的部件。
（A ）反击式 （B ）冲击式（二）填空题1．水电站中通过 ____________能转变成旋转机械能，再通过____________把旋转机械能转变成电能。
2．水轮机分为 _____________ 和 _____________两大类。
3．轴流式水轮机分为_____________ 和 _____________两种。
4．水轮机主轴的布置形式有_____________和_____________两种。
5．冲击式水轮机有_____________、_____________ 和_____________三种。
（三）问答题1.水轮机有哪些类型?划分类型的依据是什么?各类水轮机的适用范围是什么？2.混流式与轴流式水轮机主要不同点有哪些？其适用范围有什么不同？3.简述各类水轮机转轮区水流的流动与转轮的结构特点。
4.水轮机的基本工作参数有哪些？有何含义？它们的代表符号和单位是什么？5.反击式与冲击式水轮机各有哪些过流部件?各有何作用?6.水电站和水轮机的特征水头都有哪些？它们之间有何区别？7．冲击式水轮机的特点是什么？类型有哪些？试说明冲击式水轮机适合高水头的原因？8．反击式和冲击式水轮机在能量转换上有何区别？9．贯流式水轮机的特点是什么？类型有哪些？10．灯泡贯流式水轮机有哪些优点？简述灯泡贯流式水轮机基本组成部分。
11．灯泡贯流式机组的布置形式有几种，各自的适用条件是什么？12．灯泡贯流式机组与立式机组有何区别，相比较其优点是什么？13．喷管的作用是什么，其型式有几种？折向器和分流器的作用是什么，二者有何区别？14.水轮机的型号如何表示?各部分代表什么意义?15．解释水轮机型号： HL160-LJ-520、 ZZ560-LH-800、GD600-WP-250、2CJ30-W-120/2×10。
第五章_水轮机的特性曲线
• ③ 以n11为横坐标，以Q11为纵坐标绘一直角坐标 系，并在其中绘出各导叶开度的等开度线，将② 中所得到的各交点按其n11 、 Q11值绘到坐标图中 相应的等开度线上，将各点连成光滑曲线，即得 到相应于所取得效率值的一条等效率曲线。
4. 水轮机的空化特性与水轮机的nS有关，同时与水轮机的工况有 关，一般在最优工况附近空化系数较小，大流量时空化系数大， 小流量和低水头时，由于偏离设计工况而产生脱流，空化往往 也会很严重。
5. 固定叶片水轮机在部分负荷时存在一个振动区，是由于空腔空 化所造成，振动区一般在40%～55%开度范围。
水轮机特性曲线的意义
由空化系数线换算，方法同等效率线。
HＳ
ＨＳ＝－１
n11
(H) H
Q11
Pr
ＨＳ＝－１
Pr
二、转桨式水轮机运转特性曲线换算与绘制
取n11=常数线与等φ角线的交点作计算点，计算交 点效率、出力，绘制η＝f(p)曲线．
n11
5o 0o
5o 等叶片转角线
常数线
0.5 0.6
0.7
１２３４５
0.5 0.6
0.7
a 14 18
22
等开度线 26
Q11
第三节水轮机运转综合特性曲线
• 原型水轮机的运转综合特性曲线是转轮直径和转速为常数时，以水头
H、出力P为纵横坐标作出的等效率线、等吸出高度线以及出力限制
线。
模型综合特性曲线—〉原型运转综合
； n11 H ；ηm η； Q11—＞P σ—＞HS
角固定值时定桨特性曲线
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
９
７０９．５５ ３．９６ ３７５．４２ ３．７６ ０．０７７
水压对应工况
４台甩４４ ＭＷ 最大转速
１０
７１２．３４ ３．７８ ３５７．５３ ３．５９ ０．０８３
上升对应工况
２．１ 采 用 简 化 公 式 计 算 轴 向 水 推 力
根据 表 ２ 提 供 的 数 据，将 转 速、流 量、水 头 代 入 到 公 式 （３） 中计算出不同 工 况 下 的 转 轮 轴 向 水 推 力。 在 修 正 系 数λ 取 值 上，工况１取０．７４，工况２和３取 ０．７５，工 况 ４ 取 ０．７６，工 况 ５ ～１０ 为 甩 负 荷 工 况 ，统 一 取 １。 计 算 结 果 见 表 ５。
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ Ｆｏｒｍｕｌａ ｏｆ Ａｘｉａｌ Ｈｙｄｒｏ－ｔｈｒｕｓｔ ｏｆ Ｆｒａｎｃｉｓ Ｔｕｒｂｉｎｅ
ＺＨＡＯ Ｘｉ，ＬＡＩ Ｘｉ－ｄｅ，ＧＯＵ Ｑｉｕ－ｑｉｎ，ＺＨＵ Ｌｉ，ＴＡＮＧ Ｊｉａｎ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，Ｘｉｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００３９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ａｘｉａｌ ｈｙｄｒｏ－ｔｈｒｕｓｔ ｏｆ Ｆｒａｎｃｉｓ ｔｕｒｂｉｎｅ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｄａｔａ ｉｎ ｕｎｉｔ ｄｅｓｉｇｎ，ａｎｄ ｉｔｓ ａｃｃｕｒａｔｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｈａｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ
大 水 头 ，ｍ。
ＦＷ 在轴向水推力系 数ｋ 确 定 后 为 一 个 固 定 值，不 随 运 行
工况的变化而变化。 以 公 式 （１）为 原 型，加 入 流 量、水 头、转 速
等 参 数 ，引 入 比 转 速 公 式 整 理 合 并 后 公 式 如 下ｎ 槡Ｑ
Ｈ０．２５
（２）
一种通过模拟生物 界 的 优 胜 劣 汰，适 者 生 存 的 自 然 选 择，建 立
的一种全局优化搜 索 方 法，其 应 用 范 围 十 分 广 泛，尤 其 适 用 于
参数寻优。ＧＡ 求解问 题 的 流 程 如 图 １ 所 示，其 原 理 和 算 法 实
现 过 程 详 见 文 献 ［７］。
图 １ 遗 传 算 法 流 程 图 Ｆｉｇ．１ Ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ ｏｆ Ｇｅｎｅｔｉｃ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ
本文在前人研究的基础上，以轴向 水 推 力 经 验 估 算 公 式 为 参考，结合转速、流 量、水 头 等 水 轮 机 具 体 运 行 工 况 参 数，提 出 一种新的混流式水轮机转轮轴向水推力的计算公式。在此基 础上，以某水电站运 行 参 数 作 为 算 例 数 据，计 算 出 不 同 工 况 下 的轴向水推力，并 分 别 用 ＣＦＤ 数 值 模 拟 和 解 析 计 算 两 种 方 法 所计算出的结果进行对比分析，以此来 验 证 该 公 式 应 用 的 可 行 性，为准确确定不同工况下混流式水轮 机 轴 向 水 推 力 的 研 究 提 供一定的参考。
６
６７１．０１ ３．６２ ３５９．０２ ３．６０ ０．０７９
上升对应工况
４台甩４２ ＭＷ 蜗壳最大
７
６８６．４５ ３．９６ ３７４．３６ ３．７５ ０．０７６
水压对应工况
４台甩４２ ＭＷ 最大转速
８
６９０．８５ ３．７１ ３５９．９６ ３．６１ ０．０８１
上升对应工况
４台甩４４ ＭＷ 蜗壳最大
字化设计理 论 及 制 造 技 术 研 究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｇａｂｕｅｒ＠１３９． ｃｏｍ。
近年来，许多学 者 对 如 何 确 定 轴 向 水 推 力 做 了 一 些 研 究。 吴文旭，闰国军［３］等人提出可以利用模 型 试 验 配 合 压 差 传 感 器 来测定。邵国辉，赵越［４］等人提出可 通 过 测 量 静 压 轴 承 中 的 油 压来推算。刘德有，游光华［５］等人提 出 了 一 种 混 流 式 水 轮 机 转 轮轴向水推力的解析计算方法，并指出 转 轮 轴 向 水 推 力 的 计 算 精度主要取决于上、下止漏环外侧高压 腔 内 转 轮 表 面 所 受 的 轴 向水推力的大小。上述方法对设备和实验条件有一定的要求， 对于没有相关设备和条件的研究人员 来 说，实 施 起 来 有 很 大 困 难 。 同 时 ，上 述 方 法 与 水 轮 机 具 体 运 行 工 况 联 系 不 紧 密 。
设 ＦＣ 为 ＣＦＤ 数 值 模 拟 算 出 的 轴 向 水 推 力 。 在 求 得 多 个 电站不同工况 下 的 ＦＣ 基 础 上，用 ＧＡ 对 式 （２）中 的 系 数 Ｋ 反 复寻优，直到每一个工况都满足（ＦＣ －Ｆ′Ｗ ）／ＦＣ ≤０．０５。 最 后 得 到轴向水推力简化计算公式如下：
ＦＷ
＝
系数λ 的取值及其规律。实验数 据 表 明，在 正 常 运 行 工 况 下，λ 随机组出力和流量的增大而增大，取值范围为０．７～０．８。机 组 发额定出力时建议取值０．７５±０．０１，机组超额定出力运行时 建 议取值０．７７±０．０１。 在 甩 负 荷 工 况 下，λ 基 本 保 持 不 变，可 取 固 定 值 １±０．０１。
收 稿 日 期 ：２０１４－１２－０８ 基金项目：国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （５１３７９１７９）；西 华 大 学 研 究
生 创 新 基 金 资 助 项 目 （ｙｃｊｊ２０１４１７９）， 作者简介：赵 玺（１９８８－），男，硕 士 研 究 生。 主 要 从 事 动 力 机 械 数
混流式水轮机轴向水推力计算公式研究 赵 玺 赖喜德 苟秋琴 等
１７３
１ 轴 向 水 推 力 计 算 公 式
对于混流式水轮发电机组，其转轮所受 轴 向 水 推 力 为 ＦＷ 。 轴 向 水 推 力 经 验 估 算 公 式 如 下［６］：
ＦＷ ＝ｋ ４πＤ２１Ｈｍａｘ
（１）
式 中：ｋ 为轴向 水 推 力 系 数 ；Ｄ１ 为 转 轮 名 义 直 径 ，ｍ；Ｈｍａｘ为 最
ａｎｄ ｉｔｓ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｃｃｕｒａｃｙ ｉｓ ｇｏｏｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｆｒａｎｃｉｓ ｔｕｒｂｉｎｅ；ａｘｉａｌ ｈｙｄｒｏ－ｔｈｒｕｓｔ；ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ ｆｏｒｍｕｌａ；ＣＦＤ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
０ 引 言
混流式水轮发电机组转轮轴向水推力是机组设计的重要 参数，其值的准确性 对 降 低 机 组 制 造 成 本，提 高 机 组 运 行 的 安 全可靠性具有十分重要的现实意义。对于立轴混流式水轮机， 其轴向水推力的计算一直沿用经验估算公式。该公式只能推 算一个大致范围，并不能反映轴向水推 力 与 水 轮 机 运 行 工 况 的 关 系 ，而 二 者 的 联 系 是 十 分 紧 密 的 。 ［１，２］ 尤 其 是 对 机 组 转 动 部 件进行静力学和动力学分析时，需要计 算 出 不 同 工 况 下 转 轮 所 受 轴 向 水 推 力 ，这 就 必 须 与 水 轮 机 具 体 运 行 工 况 结 合 起 来 。
１７２
文 章 编 号 ：１００７－２２８４（２０１５）０５－０１７２－０４
中 国 农 村 水 利 水 电 ·２０１５ 年 第 ５ 期
混流式水轮机轴向水推力计算公式研究
赵 玺，赖喜德，苟秋琴，朱 李，唐 健
（西华大学能源与环境学院，成都 ６１００３９）
摘 要：混流式水轮机轴向水推力是机组设计的重要参 数，其 值 的 准 确 性 对 机 组 的 安 全 运 行 具 有 重 要 的 现 实 意 义 。 本文提出一个新的混流式水轮机轴向水推力的计算公式，可 计 算 不 同 工 况 下 的 轴 向 水 推 力 。结 合 某 水 电 站 运 行 参 数 分 别利用该公式、ＣＦＤ 数值模拟和解析计算３种方法进行了轴向水推力的比较计算，并对这３种方法进行了对比分析。结 果 表 明 ，该 公 式 计 算 简 便 ，与 流 量 、水 头 、转 速 等 参 数 结 合 紧 密 ，具 有 良 好 的 计 算 精 度 。 关键词：混流式水轮机；轴向水推力；计算公式；ＣＦＤ 数值模拟 中 图 分 类 号 ：ＴＫ７３３．１；ＴＫ７３０．２ 文 献 标 识 码 ：Ａ
表 １ 水 电 站 参 数 Ｔａｂ．１ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
设计 水 头／
ｍ
设计流 量／（ｍ３ ·ｓ－１）
转轮 直 径／
ｍ
额定 转 速／ ｒｐｍ
额定 效 率／
％
装机 容 量／ ＭＷ
２９０
１７．５ ２．１５
５００
９２．５ ４×４０
表 ２ 水 电 站 运 行 参 数 Ｔａｂ．２ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ．Ａ ｎｅｗ ｆｏｒｍｕｌａ ｔｈａｔ ｃａｎ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ａｘｉａｌ ｈｙｄｒｏ－ｔｈｒｕｓｔ ｏｆ Ｆｒａｎｃｉｓ ｔｕｒｂｉｎｅ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｉｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ａ ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ，ｔｈｒｅｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｃａｌ－ ｃｕｌａｔｅ ａｘｉａｌ ｈｙｄｒｏ－ｔｈｒｕｓｔ ａｎｄ ａ ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｓ ｍａｄｅ ａｎｄ ｔｈｅｙ ａｒｅ ｔｈｅ ｆｏｒｍｕｌａ，ＣＦＤ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｎａｌｙｔｉｃ ｃａｌｃｕｌａ－ ｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｆｏｒｍｕｌａ ｉｓ ｓｉｍｐｌｅ ｉｎ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｌｏｓｅｌｙ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｌｉｋｅ ｆｌｏｗ，ｈｅａｄ ａｎｄ ｓｐｅｅｄ，
工况 工况名称