基于透平正向设计模式的液力透平数值仿真研究

为进行液力透平正向设计模式的成熟化应用探索，该文以某一型号两级液力透平参数为设计目标，利用国内自主研发的TurboTides软件进行透平正向设计及数值仿真。以该透平为对象，分别利用TurboTides与ANSYS CFX平台在不同流量工况下对透平内部流动进行数值计算，以初步验证国内自主研发平台在液力透平正向设计和CFD数值计算上的可靠性，针对多级液力透平内部气液两相流动进行了初步研究分析。结果表明：在主要运行工况下和误差允许范围内，TurboTides单流道周期性网格计算的精确性不亚于CFX的全流道计算结果，且其计算更加节省计算资源和时间，在工程设计中采用TurboTides进行液力透平设计及计算有较大优势。同时初步推测，该两级液力透平靠近出口工作级的低压区易发生工质汽化导致气液两相流动。多级液力透平内部低压区的工质汽化有可能是其气液两相流动发生的主要原因之一。

液力透平是将液体工质压能转变为可利用机械能的设备，在工业各领域生产中扮演着重要角色[1]。

目前液力透平的设计主要采用模型设计法，具体可分为液力透平正向设计模式和泵反转设计模式(Pump as Turbine, PAT)，其中PAT 设计模式需要将透平参数转换为泵工作状态下的参数进行设计，是目前工业上液力透平设计的主要方法[2] [3]。同时，PAT 设计模式由于具有成本低、经济可行、适用面广等优点， 在许多缺乏电力供应的地区受到广泛关注和应用， 以微型水电项目的形式满足当地的能源需求[4] [5] [6]。

但泵出厂时，制造商通常不提供泵在透平工况下的性能参数。因此，PAT 设计过程中需要考虑如何选择合适的泵作为透平[7] [8]。与之相比，正向设计模式的液力透平直接以透平理论进行设计，工作效率高， 稳定性好，且正向设计获得模型后数据更为直观，可根据工质物性参数变化对模型进行调整，相比PAT设计模式更有优势[9]，但目前工业液力透平设计上较少应用该方式。因此，对液力透平正向设计模式的成熟化应用进行探索研究是很有必要的。

对于液力透平来说， 叶轮是最核心的过流部件， 其水力设计在设计过程中也十分关键[10]。

根据输入条件的不同，叶轮水力设计方法可分为正问题方法和反问题方法：正问题设计是已知通流部件的几何参数，来求出流场的速度分布，即给定叶轮叶片的几何造型参数，求解流场；反问题设计则需要一开始提供工质、转速、流量、叶型表面的速度、压力分布等，根据一系列叶片设计要求确定叶型的几何参数，