基于fluent的混流式水輪機穩(wěn)定性分析

王 健

（中國南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司天生橋水力發(fā)電總廠，貴州 興義 562400）

在我國存在著大量的小水電，城市用電越來越多、機組老化以及當(dāng)?shù)厮臈l件變化的情況下，很多小水電都面臨著增容改造的問題。為了節(jié)省成本，增容改造往往采用增大過流量，來滿足發(fā)點要求，但是，這經(jīng)常會引發(fā)水輪機穩(wěn)定運行的問題。

一般來說，對于混流式水輪機水力性能及穩(wěn)定性研究的主要方法主要有4種：①理論分析；②模型試驗；③真機試驗；④數(shù)值模擬。而其中數(shù)值模擬方法，由于其極大地縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，大幅度降低了開發(fā)成本，并且具有較高的精確性，已經(jīng)成為水利機械開發(fā)、研究的基本手段之一。

文章運用三維湍流模擬技術(shù)，對水輪機葉片進(jìn)行仔細(xì)的研究，通過描繪水輪機內(nèi)部流場等內(nèi)特性，嘗試揭示水流運動規(guī)律，分析新設(shè)計流量下水電站內(nèi)部流場分布情況，為水電站技術(shù)改造提供可靠依據(jù)，對保證水電站的安全、高效運行具有重要的現(xiàn)實意義。

1 構(gòu)建模型和網(wǎng)格劃分

水電站采用的是3臺低比轉(zhuǎn)速HL100型混流式水輪機，原機組設(shè)計水頭170m，額定轉(zhuǎn)速900r/min，為了實現(xiàn)電站的增容改造，現(xiàn)在機組實際運行水頭在168.6m，準(zhǔn)備加大水輪機過流量，仿真模擬新設(shè)計流量下的全流道水力特性，分析增容改造的可能性。

（1）基本情況。通過對該水輪機的多個運行工況點進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)值解析，研究水流在過流部件中的流動特性，并對其水力性能進(jìn)行預(yù)測分析。流場計算的區(qū)域從水輪機的蝸殼進(jìn)口到尾水管出口的整個全流道。主要包括蝸殼區(qū)域、葉輪轉(zhuǎn)動區(qū)域以及尾水管出口區(qū)域。湍流模型采用大渦模擬。

表1 HL100型水輪機改造后的主要技術(shù)參數(shù)表

（2）網(wǎng)格劃分。針對計算域空間復(fù)雜的特點，采用以適應(yīng)性強的非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格為主的混合網(wǎng)格化分蝸殼及導(dǎo)水機構(gòu)、轉(zhuǎn)輪等部分。最終把水輪機整個流道劃分為節(jié)點數(shù)為35多萬、單元數(shù)為170多萬的計算網(wǎng)格模型。流道各部分節(jié)點數(shù)及單元數(shù)列于表2。

表2 計算域網(wǎng)格節(jié)點數(shù)及單元數(shù)

2 水輪機全流道三維湍流計算的邊界條件

計算對象為水輪機的全流道。流道進(jìn)口邊界為水輪機蝸殼的進(jìn)口斷面，水從該斷面流進(jìn)；流道出口邊界為水輪機尾水管的出口斷面，水從該斷面流出?？梢哉J(rèn)為：這兩個斷面的方向與流動方向垂直，即斷面的外法線方向與流動方向平行。計算域的其他外邊界為蝸殼、導(dǎo)水機構(gòu)、轉(zhuǎn)輪和尾水管的固體壁面。在非定常的湍流計算中，常采用了如下的流動邊界條件：

（1）速度進(jìn)口條件，即在進(jìn)水管進(jìn)口處根據(jù)引用流量給定速度值。

（2）出口采用自由出流邊界條件，該條件用于模擬在求解前流速和壓力未知的出口邊界。在該邊界上，無需定義任何內(nèi)容，適用于出口處的流動是充分發(fā)展的湍流情況，即在尾水管出口面處流場除了壓強以外的各物理量沿流動方向的梯度為零。由于全部流場只有一個出口，其出流權(quán)重設(shè)為1。

（3）在臨近固壁的區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，固壁面采用無滑移邊界條件，即在壁面處的流體速度V等于壁面速度Vwall，當(dāng)固體壁面靜止時，V=Vwall=0。如果邊界轉(zhuǎn)動，邊界上的速度為給定的周向速度。

（4）對于其他參數(shù)，在計算中除進(jìn)口處給定第一類邊界條件外，其他邊界采用第二類邊界條件。例如，湍動能和湍能耗散率的邊界條件與速度相似，在進(jìn)口給定第一類邊界條件，同樣地在出口給定第二類邊界條件，在臨近固壁的計算點可用壁面律給定。

（5）在迭代計算中，對進(jìn)出口流量進(jìn)行修正，滿足流量相等的連續(xù)條件；即在每次迭代計算時，積分計算域出口的流量，并逐次修改出口附近的流速值，以便使進(jìn)出口流量滿足連續(xù)條件。

3 水輪機三維流場模擬分析

考慮到計算機資源，選取以下8個工況點，進(jìn)行流場仿真模擬。其中最小流量取60%額定負(fù)荷所對應(yīng)的流量，額定流量指原水輪機設(shè)計流量，新設(shè)計流量指增容改造后水輪機的設(shè)計流量。

表2 計算工況點

轉(zhuǎn)輪是水輪機最核心的過流部件，水流通過轉(zhuǎn)輪完成能量交換，轉(zhuǎn)輪內(nèi)流體流態(tài)的優(yōu)劣對能量轉(zhuǎn)換的效率起著決定性的作用。而葉片則是轉(zhuǎn)輪的主要組成部件。

水輪機在小開度工況時（圖1），在靠近上冠處，葉片頭部入流為較大的正沖角，葉片背面進(jìn)口有明顯的脫流；而在靠近下環(huán)處，葉片正面距進(jìn)口1/3左右有明顯的低速區(qū)產(chǎn)生；同時，葉片正面在靠近上冠處有橫向流動和回流。在葉片背面，靠近下環(huán)處，葉片進(jìn)口有明顯的撞擊產(chǎn)生的高壓區(qū)；靠近上冠處也有明顯的回流、橫向流動。正面、背面壓強從葉片進(jìn)水邊到出水邊降低得較均勻，且流線不太流暢，總體流動情況比設(shè)計工況差。

水輪機在大開度工況時，在靠近上冠處，葉片頭部入流為較小的負(fù)沖角，葉片正面進(jìn)口處有明顯的脫流；而在靠近下環(huán)處，葉片正面距進(jìn)口1/4左右有明顯的低速區(qū)產(chǎn)生；同時，葉片正面在靠近上冠處有橫向流動。而在背面，在靠近下環(huán)處，距進(jìn)口1/5左右有較小的低速區(qū)產(chǎn)生；但整個背面沒有明顯的回流、橫向流動，流動情況較好。上冠面與下環(huán)面的壓強分布情況均較好，速度分布也都較均勻，沒有脫流、回流、橫向流動等二次流動情況。正面、背面壓強從葉片進(jìn)水邊到出水邊局部有低壓區(qū)，不過流線尚算流暢，總體流動情況比設(shè)計工況差，但比小流量工況好（圖3）。

水輪機在新設(shè)計工況下運行時（圖2），情況介于上述兩者之見。過流量增加之后，轉(zhuǎn)輪能夠滿足能量轉(zhuǎn)換的要求，設(shè)計工況下流動情況較好，偏離工況下流動狀況不夠理想，存在較明顯的脫流、回流、橫向流動等二次流動現(xiàn)象，尤其是小開度工況，流動情況較差。

圖1 小導(dǎo)葉開度時，各工況下葉片正面速度矢量

圖2 較大導(dǎo)葉開度時，各工況下葉片正面速度矢量

圖3 大導(dǎo)葉開度時葉片模擬仿真圖

4 結(jié)語

現(xiàn)有水輪機基本滿足增容改造要求，在新設(shè)計流量下工作時，葉輪附近流場穩(wěn)定，沒有脫流、漩渦出現(xiàn)；但是在偏倚工況下，部分導(dǎo)葉正面出現(xiàn)了脫流現(xiàn)象，轉(zhuǎn)輪內(nèi)流動也不理想，存在明顯的漩渦。研究表明，增容改造之后，現(xiàn)有水輪機運行范圍縮小，做基荷機組是滿足要求的，不適合調(diào)峰調(diào)頻。

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