使用摩擦扭矩方法的Francis-99转轮内部机械摩擦损失影响分析

《Computation》：Analysis of Internal Mechanical Friction Losses Influence on the Francis-99 Runner Using the Friction Torque Approach Otibh M. M. Abubkry, Yun Zeng, Juan Duan, Altyib Abdallah Mahmoud Ahmed, Hassan Babeker and Altyeb Ali Abaker Omer

　　

弗朗西斯水轮机以其高效率和广泛的扬程及流量适应性而闻名。然而，由旋转转轮与周围流体之间的旋转摩擦阻力引起的内部机械摩擦损失（IMFLs），仍然是进一步优化性能的重大障碍。这项研究引入了一个通过理论分析验证的、基于计算流体动力学（CFD）的积分摩擦扭矩框架，该框架能够对Francis水轮机转轮中的IMFLs进行空间分辨量化。在此框架基础上，研究人员建立了一套综合计算方法，利用CFD衍生的积分扭矩方法并结合理论验证模型，量化了Francis水轮机转轮中的IMFLs。分析了三种转轮配置：原始转轮模型（ORM）、选择性出口高度降低的改进转轮（RM1）以及均匀出口高度降低的改进转轮（RM2）。在最佳效率点（BEP）下，使用剪切应力传输（SST）k–ω湍流模型和滑移网格方法进行了瞬态模拟。数值结果通过理论模型进行了验证，并系统评估了IMFL机制和转轮性能。研究结果表明，转轮几何形状的显著变化会影响内部摩擦阻力和水轮机效率。与ORM相比，RM1和RM2均降低了旋转摩擦扭矩，其中RM2表现出最大的改进：总摩擦阻力扭矩降低2.83%，总功率损失降低14.74%，效率绝对提升1%。这些改进主要归因于壁面剪切应力的降低以及转轮表面更均匀的压力分布。

**论文解读：基于摩擦扭矩方法的Francis-99转轮内部机械摩擦损失影响分析**

**研究背景与问题**

随着全球能源转型加速，提升水轮机的性能和效率成为最大化能量回收并减少环境影响的关键战略。Francis水轮机因其在广泛水头和流量范围内的运行灵活性而广泛应用于中高水头水电站。然而，尽管技术先进，其内部流动行为复杂，特别是在瞬态或非设计工况下，流动分离、涡流形成、二次环流和回流会显著加剧内部能量耗散，导致水力效率降低和内部机械摩擦损失（Internal Mechanical Friction Losses，IMFLs）增加。现有研究多集中于通过几何优化或流动控制策略改善水力性能，但IMFLs的量化研究相对不足，尤其缺乏对转轮组件内部摩擦损耗位置及其对整体效率影响的定量理解。大多数研究依赖简化的壁面剪切假设，无法充分捕捉旋转表面与周围流体之间的复杂相互作用。此外，针对高水头Francis水轮机在实际运行条件下基于CFD的IMFL分析仍然稀缺。为此，研究人员开展本研究，旨在提出一个基于CFD的摩擦阻力扭矩框架，系统评估Francis-99水轮机的内部机械摩擦损失，探讨通过转轮出口高度几何修改来减少摩擦损失并提高效率的可行性。该论文发表在《Computation》。

**主要技术方法**

研究人员采用计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）与理论验证相结合的框架。关键技术方法包括：（1）基于CFD的积分扭矩方法，通过对转轮所有浸湿表面（叶片、轮毂、轮缘和转轮锥体）的粘性剪切应力进行数值积分，计算总摩擦阻力扭矩；（2）基于Prandtl–Schlichting边界层理论的理论摩擦模型，用于验证CFD结果并量化表面几何、流速和流体粘度对摩擦功率损失的影响；（3）采用剪切应力传输k–ω（SST k–ω）湍流模型和滑移网格方法进行瞬态模拟。样本队列来源于挪威科技大学（NTNU）Francis-99研讨会提供的实验模型和边界条件。

**研究结果**

**4.1 压力与速度分析**
通过对比原始转轮模型（Original Runner Model，ORM）、选择性降低出口高度模型（Modified Runner 1，RM1）和均匀降低出口高度模型（Modified Runner 2，RM2）在最佳效率点（Best Efficiency Point，BEP）下的压力分布，发现RM2显示出最均匀的压力分布，表明叶片载荷更平衡，局部压力梯度减小，有利于降低壁面剪切应力和摩擦损失。速度分布分析显示，RM2的高速度区域更集中且均匀，减弱了剪切强度，下游尾水管内的回流和速度波动得到抑制。

**4.2 旋转摩擦扭矩分析**

**4.2.1 CFD计算**
通过CFD积分计算各转轮组件的摩擦扭矩，结果表明RM1和RM2的总摩擦阻力扭矩均低于ORM。RM1降低2.76%，RM2降低2.83%。时间演化图显示，轮毂-轮缘区域的摩擦扭矩RM1和RM2分别降低约7.0%和7.3%。壁面剪切应力分布图表明，从ORM到RM2，叶片和轮毂-轮缘表面的峰值剪切应力逐步降低且分布更均匀，RM2表现出最均匀的应力模式，直接解释了摩擦扭矩的减少。

**4.2.2 理论验证**
基于Prandtl–Schlichting理论计算各旋转表面的摩擦扭矩，RM1比ORM降低4.2%，RM2降低4.5%，与CFD结果趋势一致，验证了CFD方法的准确性。

**4.3 功率计算分析**
功率损失分布显示，RM1和RM2的转轮功率损失分别比ORM降低5.54%和6.61%；尾水管功率损失分别降低28.40%和28.72%；总功率损失分别降低7.18%和14.74%。机械摩擦损失（由积分摩擦扭矩计算）RM1降低8.20%，RM2降低25.54%。水轮机输出功率RM1和RM2略有增加（约0.2%），而输入功率分别降低0.29%和0.80%，导致水力效率从ORM的93.32%提升至RM1的93.78%和RM2的94.26%，绝对效率提升分别为0.5%和1.0%。

**总结讨论与结论**

讨论部分指出，转轮出口高度修改有效减少了摩擦引起的能量损失，但过度降低出口高度可能增加叶片根部结构应力并改变非设计工况下的空化行为，需综合评估结构、空化和运行条件。

研究结论：研究人员通过CFD和理论方法研究了内部机械摩擦损失（IMFLs）对Francis-99水轮机性能的影响。将原始转轮模型（ORM）修改为选择性出口高度降低模型（RM1）和均匀出口高度降低模型（RM2），以减少叶片与流体的接触面积。结果表明，两种改进模型均改善了内部流动性能，降低了湍流和流动分离，减小了逆压梯度，优化了压力分布。CFD分析揭示了改进模型叶片、轮毂和轮缘表面壁面剪切应力的显著降低，从而减小了摩擦扭矩。能量损失分析证明，RM1使功率损失降低7.18%，RM2降低14.74%。RM1和RM2的IMFL分别减少2.76%和2.83%。在所有配置中，RM2表现最优，最大输出功率为22,577.32 W，水轮机效率达到94.26%，比ORM绝对提升1%。研究证实，转轮出口高度修改是提高Francis水轮机性能的有效实用方法。提出的CFD和理论方法为分析和量化IMFLs以及指导未来水力机械优化提供了稳健框架。未来工作应将方法扩展至非设计工况、空化行为和瞬态负荷变化，并进行原型规模实验验证，同时采用多目标优化框架整合水力性能、结构和空化约束。