石祥钟，董小雪，王利英，岳 莹

(河北工程大学水电学院，河北 邯郸056038)

蜗壳是水轮机的重要组成部件，蜗壳设计是水轮机过流部件设计的重点之一。“等速度距”方法经过长期以来的实践检验，被证明是一种较好的设计方法，但按该理论设计的蜗壳也存在一些问题，如“等速度距”理论假设与实际流动并不相符，椭圆断面部分不符合设计理论(即轴对称有势流动的基本假设)，使蜗壳尾部过流面积较小，周向速度增大，水流运动方向改变增大，而使水头损失较大［1］。本文为了探索蜗壳优化设计方法，设计出最理想的蜗壳，采用目前先进的数值分析方法，应用 CFD 软件详细分析蜗壳内部流动［2－4］，研究蜗壳工作特性，发现传统设计理论的不足，探索改进方法，实例研究表明，将以CAD－CFD技术为基础的优化设计方法用于蜗壳设计，可得到较好结果。

1 理论蜗壳研究

1.1 理论蜗壳内部流动数学分析

蜗壳主要有两个功能:一是使水流形成轴对称向心流动，将水流从四周均匀引入导水机构和转轮;二是使水流形成轴对称环流，其环量值应满足转轮进口环量要求，使水轮机保持高效率工作。如果假定其中流动为有势流动，一个理论蜗壳中的流动可视为涡和汇的叠加。

在极坐标下，涡加汇的流函数为［5］

涡的环量

汇的流量

解式(1)、式(2)、式(3)且当b为常数时得

式中r－极径;θ－极角;Vr－径向速度;Vu－周向速度;b－蜗壳高度;C1、C2－常数。

由此可知，蜗壳外壁轮廓应为等角螺线。

1.2 理论蜗壳设计

以HL160－25为研究对象，为其设计一个外壁轮廓为等角螺线的理论蜗壳。……