数值计算结果及其分析

1.正交试验结果

采用ANSYS⁃FLUENT软件对上述所有方案的液力透平进行了数值计算，其中每个方案各取11个工况点（即1.0Q_d、1.1Q_d、1.2Q_d、1.3Q_d、1.4Q_d、1.5Q_d、1.6Q_d、1.7Q_d、1.8Q_d、1.9Q_d和2.0Q_d，其中Q_d为泵工况的设计流量），计算收敛后从FLUENT中读取液力透平进、出口总压、以及扭矩M，从而可求出每种方案在各个工况点下的效率值。通过对比各方案在11个工况点下的效率值发现，有10种方案均在1.3Q_d时效率取到最大值，而方案2在1.2Q_d时效率最高，方案8在1.4Q_d时效率最高，不过这两个方案的最高效率值与各自在1.3Q_d工况下的效率值相差不大。为了方便进一步的比较分析，均取各方案在1.3Q_d时的性能值进行比较。各方案在1.3Q_d时的效率值见表10⁃14。

表10⁃14 1.3Q_d工况时各方案的效率值汇总

2.极差分析

通过对表10⁃14中的数据处理分析，得到效率与分流叶片正交法设计因素水平极差见表10⁃15。其中，K_i这一行的四个数分别是因素A、B、C和D第i个水平所对应的效率之和。k_i为i水平的平均值。极差R是同一列中k₁、k₂和k₃这三个数中最大值与最小值的差值，反映了因素水平对试验指标的影响程度。从极差R的大小可知，在分流叶片设计因素中，各因素对效率影响的主次顺序为DBCA，即：出口偏转角、出口直径、叶片数、周向偏置度。

表10⁃15 正交试验数据处理结果

3.各因素对分流叶片设计的影响分析

根据以上极差分析的结果，可得到各不同水平因素随效率的变化曲线，如图10⁃38所示。

由图10⁃38可见：

图10⁃38 效率与因素关系

A—周向位置 B—出口直径 C—叶片数 D—出口偏置角

（1）因素A：分流叶片的周向位置对效率的影响呈现先上升后下降的趋势，但幅度较小，在第二水平达到最大，即取周向位置为0.5θ时效果较好。

（2）因素B：分流叶片的出口直径对效率的影响呈现先上升后下降的趋势，在第二水平达到最大值，因此选取出口直径为0.5（D₂-D₀）+D₀较为理想。

（3）因素C：随着叶片数的增加，效率曲线逐渐上升，第一水平到第二水平效率的增大梯度高于第二水平到第三水平，在第三水平取到最大值，因此，取6个分流叶片较为合理。

（4）因素D：随出口偏置角的逐渐增大，效率曲线逐渐下降，且幅度较大，在第一水平时效率最高，所以出口偏置角取-5°。(www.xing528.com)

基于上述研究，对于本节所选模型，分流叶片主要几何参数的最佳组合为周向位置取0.5θ、出口直径取0.5（D₂-D₀）+D₀、分流叶片数取6、出口偏转角取-5°。

4.外特性分析

如图10⁃39所示为常规叶轮和复合式（分流叶片最佳组合）叶轮液力透平的外特性曲线。

从图10⁃39可以看出，在Q/Q_d为0.8～1.8范围内，复合式叶轮液力透平的效率高于常规叶轮液力透平的效率，说明常规叶轮在添加分流叶片后，叶轮的做功能力较之前有所增强；压头则在添加分流叶片后有所下降，在小流量工况和大流量工况下降较多，而在最优工况附近与常规叶轮的压头基本相当；从功率曲线看出，在小流量工况、最优工况以及部分大流量工况下，复合式叶轮液力透平的输出功率大于常规叶轮液力透平的输出功率，而随着流量的进一步增大，复合式叶轮液力透平的输出功率小于常规叶轮液力透平的输出功率。

5.内流场分析

如图10⁃40和图10⁃41所示分别为常规叶轮和复合式（分流叶片最佳组合）叶轮液力透平在最优工况下，各自中间截面（z=0）上的相对速度和静压分布图。

图10⁃39 两种叶轮的液力透平外特性曲线

图10⁃40 两种叶轮的液力透平在最优工况下内部相对速度分布

a）常规叶轮 b）最佳组合叶轮 （彩图见书后插页）

从图10⁃40a、b可以看出，液力透平叶片工作面的进口附近均存在着一定的轴向漩涡，该漩涡的旋转方向与叶轮旋转方向相反；在叶片背面出现脱流现象，也存在漩涡，此漩涡旋转方向与叶轮旋转方向一致，强度弱于工作面上的漩涡。图10⁃40a中的漩涡区域和强度较大，脱流也较为严重，而图10⁃40b中最佳组合叶轮内部流场分布较为均匀，漩涡的区域和强度明显减弱，脱流现象也得到了很大的改善。

从图10⁃41a、b可以看出，叶轮内部的静压力由进口到出口逐渐降低，等压曲线在叶轮上几乎是沿圆周方向分布，叶片上的最小压力值出现在叶片的出口位置；另外，从图10⁃41a中看到，叶轮内的压降较大，这主要是由常规叶轮内液体流动不稳定、损失较大所致，而从图10⁃41b中可以看出，叶轮内的静压分布较为均匀，且压降相对较小，蜗壳喉部的高压区减少，过流能力强，工作性能好。

图10⁃41 两种叶轮的液力透平在最优工况下内部静压分布

a）常规叶轮 b）最佳组合叶轮 （彩图见书后插页）

综上所述，与常规叶轮的液力透平相比，采用正交试验方法设计得到的复合式叶轮的液力透平，其叶轮内部的流动状况得到了明显的改善，增强了其能量转换能力。