Page 16 - 水利学报2025年第56卷第4期

以及复合涂层 ［１２］ ，即可在涂层存在的时间内起到防护作用。转轮优化设计方法是在保证水轮机主要参
数不变的前提下，不使用昂贵的材料，而对转轮部分重新进行优化设计，以减少水轮机所受的泥沙磨
损破坏。Ｔｈａｐａ等 ［１３］ 对转轮叶片的几何轮廓进行调整，可以降低高达 ３３％的转轮磨损率。Ｂａｉｄａｒ等 ［１４］
采用数值模拟的方法分析了叶片数对水轮机抗磨损特性的影响，发现叶片数为 １７时磨损较轻。廖姣
等 ［１５］ 采用长短叶片对转轮进行改造，可以降低叶片表面泥沙体积分数。Ｋｈａｎａｌ等 ［１６］ 对转轮叶片安放
角的分布进行优化设计，研究了叶片曲率对叶片抗磨损性能的影响，发现合适的叶片曲率会使磨损面
积和磨损率显著减小，而同时会导致水轮机效率轻微下降。Ｌａｍａ等 ［１７］ 对进口到出口的叶片安放角分
布进行重新设计，发现符合二次函数分布规律的方案效果最好。Ｇａｕｔａｍ等 ［１８］ 采 用多 目标 遗 传算法
（ Ｍｕｌｔｉ － ＯｂｊｅｃｔｉｖｅＧｅｎｅｔｉｃＡｌｇｏｒｉｔｈｍ，ＭＯＧＡ）重新设计转轮叶片，提高了转轮抗磨损能力。综上，调整
转轮叶片的设计参数能一定程度改善磨损。然而，已有的研究重点考虑单一设计参数变量，如叶片安
放角，而开展多参数组合方案的研究，有望深入揭示水轮机的抗磨损特性、抗磨损机理以及优化方案
对水轮机性能的影响规律。
叶片进口偏转角和叶片安放角是确定叶片型线的重要设计参数，为此，本文选取以上两个变量，
以设计出更具有经济性的抗磨损转轮，并通过分析流场与颗粒轨迹揭示抗磨损机理。此外，本文不仅
考虑了设计方案对叶片磨损的改进，同时论述了对下环磨损的不利影响及对水轮机效率的影响，以便
综合分析合理可行的优化方案。

２ 研究方法

２．１ 物理模型 本文以尼泊尔 Ｊｈｉｍｒｕｋ水电站混流式水轮机为研究对象，对转轮叶片进行改进设计，
主要参数见表 １。转轮叶片的设计流程包括主要参数计算、叶片型线轴面投影确定、叶片型线径向投
影确定和转轮模型建立。全流道计算域的物理模型如图 １所示，包括蜗壳、固定导叶、活动导叶、转
轮和尾水管五个部分。在设计阶段，以转轮和尾水管作为计算域，根据计算结果从设计角度上选择较
优方案。接着对这些初选方案进行全流道数值计算，对比分析结果选取最终方案。
表 １ 转轮设计参数

３
设计水头?ｍ 设计流量?（ｍ ?ｓ） 转轮转速?ｒｐｍ 设计效率 转轮进口直径?ｍ 转轮叶片数 固定导叶叶片数 活动导叶叶片数
４４ ０．２３３ １０００ ０．９６ ０．４ １７ ２０ ２０

图 １ 物理模型

２．２ 数学模型 考虑到当前含沙河流中的泥沙颗粒体积分数较低，本研究采用欧拉 － 拉格朗日两相流
模型对其进行模拟。采用稳态不可压缩流体的控制方程：
·ｕ＝ ０ （１）
ｆ
Δ
２
（ｕ· ）ｕ＝－ １ Δ ｐ ＋ ν ｕ＋ Ｓ ｐ （２）
ｆ
ｆ
ｆ
ｆ
Δ
Δ
ρ ｆ
为流体密度；ｐ为流体压力；Ｓ为考虑颗粒对流体影响的
式中：ｕ为流体速度；ν 为流体运动黏度；ρ ｆ
ｆ ｆ ｐ
动量源项。
湍流模型采用 ＳＳＴｋ － ω模型。离散相的运动采用 ＤＰＭ（ＤｉｓｃｒｅｔｅＰｈａｓｅＭｏｄｅｌ）模型进行模拟。由牛
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