藏木水電站高比速混流式水輪機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

邵國(guó)輝，王茜云

（1.水力發(fā)電設(shè)備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150040；2.哈爾濱大電機(jī)研究所，哈爾濱 150040）

高比轉(zhuǎn)速水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪高度較大,流道較短,結(jié)構(gòu)緊湊，有較大的過(guò)流量,主要應(yīng)用于低水頭大流量的水電站水輪機(jī)［1］。

由于水輪機(jī)內(nèi)水流速度較大,更容易出現(xiàn)穩(wěn)定性問(wèn)題。因此伴隨水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速的不斷提高，水輪機(jī)運(yùn)行中的穩(wěn)定性問(wèn)題也逐漸顯露出來(lái)。目前世界上的巨、大型機(jī)組普遍存在運(yùn)行不穩(wěn)定現(xiàn)象，特別是水頭變幅大、最大水頭與額定水頭比值較大的水輪機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定現(xiàn)象相當(dāng)普遍［2］。水輪機(jī)能否穩(wěn)定運(yùn)行，以達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力，開(kāi)發(fā)出性能優(yōu)良的高比轉(zhuǎn)速混流式水輪機(jī)水力模型，更加合理有效地利用水力資源，把潛在資源優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化成經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,意義十分重大。

1 水電站概況

藏木水電站位于西藏自治區(qū)山南地區(qū)加查縣境內(nèi)，是雅魯藏布江干流上開(kāi)發(fā)的第1個(gè)水電站。電站最大水頭67m，最小水頭44.3m，額定水頭53.5m，額定轉(zhuǎn)速136.4r/min,水輪機(jī)安裝高程3237.20m,單機(jī)容量85MW。

藏木水電站的開(kāi)發(fā)任務(wù)為發(fā)電，為西藏中部電網(wǎng)的主力電源；豐水期將作為羊湖電站的抽水電源，為羊湖電站提供抽水電量，枯水期為西藏中部電網(wǎng)供電，滿足西藏中部電網(wǎng)負(fù)荷的發(fā)展［3］。

藏木水電站屬于60～70m水頭段范圍，根據(jù)電站水頭特征，藏木水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪選用沙沱電站轉(zhuǎn)輪A904c為基礎(chǔ)轉(zhuǎn)輪，采用先進(jìn)的流體計(jì)算軟件進(jìn)行CFD分析。最終優(yōu)化設(shè)計(jì)出適合電站參數(shù)的轉(zhuǎn)輪，可為水力設(shè)計(jì)或改型優(yōu)化設(shè)計(jì)提供借鑒。

2 水電站特點(diǎn)

一般來(lái)說(shuō)，水頭變幅大的電站易出現(xiàn)高水頭水力脈動(dòng)問(wèn)題，如巴基斯坦的塔貝拉電站、大古力和小浪底等電站。文獻(xiàn)［4］中，對(duì)國(guó)內(nèi)外40多座裝有大型混流式水輪機(jī)的電站參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)電站的水頭變幅Hmax/Hmin小于1.65，Hmax/Hp小于1.16，Hmax/Hr小于1.2，Hmin/Hp大于0.64。

水頭比值問(wèn)題實(shí)際是運(yùn)行工況偏離最優(yōu)工況遠(yuǎn)近的問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，高水頭小流量區(qū)的振動(dòng)比低水頭大流量區(qū)的振動(dòng)危險(xiǎn)性更大，而Hmax/Hr比值是表明高水頭運(yùn)行區(qū)偏離最優(yōu)工況遠(yuǎn)近的基本標(biāo)志。當(dāng)水輪機(jī)在高水頭小流量區(qū)運(yùn)行時(shí)，由于葉片進(jìn)口沖角和出口流速的圓周分量都較大，穩(wěn)定性問(wèn)題較為突出［4］。

藏木水電站機(jī)組轉(zhuǎn)輪直徑D1等于4.5m，最大水頭與最小水頭比值Hmax/Hmin等于1.51，最大水頭與額定水頭的比值Hmax/Hr等于1.25，Hmax/Hp等于1.11，Hmin/Hp等于0.73。

從藏木電站水頭參數(shù)來(lái)看，其水頭比值在范圍的上限或超過(guò)上限，額定水頭偏低，水頭變幅較大。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)藏木電站機(jī)組的穩(wěn)定性問(wèn)題要引起足夠重視。

3 水輪機(jī)通流部件

在藏木電站水輪機(jī)通流部件的設(shè)計(jì)過(guò)程中，哈爾濱大電機(jī)研究所根據(jù)該電站的具體情況，充分考慮藏木電站參數(shù)特點(diǎn)，在該水頭段已有沙沱電站轉(zhuǎn)輪A904c優(yōu)秀轉(zhuǎn)輪基礎(chǔ)上，根據(jù)藏木電站參數(shù)進(jìn)行局部改型與調(diào)整，并作了相應(yīng)的CFD分析計(jì)算。

3.1 改型設(shè)計(jì)手段采用CFD分析方法

計(jì)算分析軟件為CFX-TASCflow流動(dòng)計(jì)算軟件，該軟件在水輪機(jī)水力設(shè)計(jì)上已廣泛使用多年，可較準(zhǔn)確地通過(guò)計(jì)算得到水輪機(jī)各過(guò)流部件內(nèi)部流動(dòng)情況，不但可指導(dǎo)設(shè)計(jì)，還可預(yù)估水輪機(jī)性能，用數(shù)值方法對(duì)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行初步篩選，既提高了水輪機(jī)的性能指標(biāo)，又減少開(kāi)發(fā)周期，節(jié)省了大量的試驗(yàn)費(fèi)用。

CFX-TASCflow軟件設(shè)計(jì)過(guò)程是一個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程，針對(duì)不同的目標(biāo)參數(shù)（如流量、轉(zhuǎn)速、效率或汽蝕參數(shù)）可得到不同的結(jié)果，也可兼顧多項(xiàng)目標(biāo)參數(shù)達(dá)到綜合最優(yōu)目的。

3.2 通流部件采用CFD計(jì)算分析

以沙沱電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪A904c為基礎(chǔ)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，包括蝸殼、尾水管及轉(zhuǎn)輪等，其中蝸殼、尾水管CFD計(jì)算最優(yōu)工況和額定水頭額定出力工況，轉(zhuǎn)輪除最優(yōu)工況和額定工況外，對(duì)最大水頭額定出力工況處做了轉(zhuǎn)輪改型前后的對(duì)比分析。

4 水輪機(jī)通流部件優(yōu)化

4.1 蝸殼優(yōu)化設(shè)計(jì)及CFD分析

蝸殼水力設(shè)計(jì)通常有兩種方法。一是早期水力設(shè)計(jì)常用的VUR等于常數(shù)方法，二是VU等于常數(shù)方法。兩種方法的區(qū)別在于：方法二設(shè)計(jì)的蝸殼尾部斷面比方法一設(shè)計(jì)的蝸殼尾部斷面大，更有利于大流量工況時(shí)的水流流動(dòng)，在最優(yōu)效率相差不大的情況下，大流量區(qū)有較高的效率［5］。挪威KVAERNER公司設(shè)計(jì)的三峽水輪機(jī)蝸殼，基本采用了這種方法，其斷面面積呈線性變化規(guī)律。

在進(jìn)行藏木水電站蝸殼水力設(shè)計(jì)時(shí)，為驗(yàn)證蝸殼的優(yōu)化設(shè)計(jì)效果，對(duì)蝸殼進(jìn)行了CFD分析，計(jì)算水頭30m。

蝸殼計(jì)算進(jìn)口按給定進(jìn)口斷面流量作為進(jìn)口邊界條件,出口按平均壓力作為出口邊界條件。圖2～圖4 為最優(yōu)工況的CFD結(jié)果。圖1為蝸殼的幾何形狀。圖2為蝸殼對(duì)稱面壓力分布，圖3 為蝸殼對(duì)稱面的速度矢量，圖4為蝸殼內(nèi)部流線分布。

圖1 蝸殼幾何形狀

圖2 蝸殼對(duì)稱面壓力分布

圖3 蝸殼對(duì)稱面速度矢量

圖4 蝸殼內(nèi)部流線

從圖2～圖4的CFD分析結(jié)果可以看出，蝸殼內(nèi)壓力分布均勻，速度變化合理；蝸殼出口流速比較均勻，水流角變化不大。

根據(jù)CFD計(jì)算結(jié)果得到蝸殼內(nèi)部的水力損失占進(jìn)口水頭的2.87%，表明蝸殼設(shè)計(jì)合理。

4.2 尾水管優(yōu)化設(shè)計(jì)及CFD分析

計(jì)算混流式水輪機(jī)尾水管時(shí)，不但應(yīng)考慮尾水管恢復(fù)系數(shù)的提高，更要綜合考慮合理地選擇尾水管高度等幾何尺寸。有關(guān)尾水管肘管的專門研究證明：肘管斷面的形狀對(duì)性能影響不大，而沿軸線的斷面面積變化規(guī)律對(duì)尾水管恢復(fù)系數(shù)有影響。經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終選擇了以沙沱電站尾水管面積變化規(guī)律為基礎(chǔ)，得到了藏木電站的尾水管面積變化規(guī)律，同時(shí)在電站結(jié)構(gòu)尺寸控制范圍內(nèi)給出了藏木尾水管單線尺寸。

為了使計(jì)算結(jié)果更加符合實(shí)際水流流動(dòng)條件，尾水管計(jì)算時(shí)，以相應(yīng)工況轉(zhuǎn)輪出口流速場(chǎng)作為尾水管進(jìn)口邊界條件，出口按平均壓力作為出口邊界條件。計(jì)算水頭30m。

尾水管最優(yōu)工況的CFD分析結(jié)果如圖7和圖8所示。圖5為尾水管實(shí)體，圖6為尾水管網(wǎng)格劃分，圖7為尾水管壁面的壓力分布，圖8為尾水管內(nèi)部流線分布。

圖5 尾水管實(shí)體

圖6 尾水管網(wǎng)格劃分

圖7 尾水管壁面的壓力分布

圖8 尾水管內(nèi)流線分布

從圖7～圖8的CFD結(jié)果可以看出,優(yōu)化設(shè)計(jì)的藏木電站尾水管壓力分布合理，速度分布均勻，流線分布合理。

根據(jù)數(shù)值回能系數(shù)計(jì)算公式，藏木電站尾水管數(shù)值回能系數(shù)為77.6%。

4.3 轉(zhuǎn)輪優(yōu)化設(shè)計(jì)及CFD分析

轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)以沙沱電站轉(zhuǎn)輪為基礎(chǔ)，確定導(dǎo)葉高度選B0=0.304D1，葉片數(shù)13個(gè)；電站最大水頭Hmax等于67m，最小水頭Hmin等于44.3m，額定水頭Hr等 于53.5m，Hmax/Hmin等 于1.512,Hmax/Hr等 于1.252，水頭變幅較大。而且在額定水頭與最大水頭之間的90%～100%額定出力之間水輪機(jī)運(yùn)行加權(quán)因子最大。因此，在轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量使水輪機(jī)運(yùn)行加權(quán)因子較大的區(qū)域位于模型綜合特性曲線的高效率區(qū)，以盡可能提高水輪機(jī)總體的加權(quán)平均效率。

效率、空化和穩(wěn)定性是水輪機(jī)水力性能的三大重要指標(biāo)。其中，效率關(guān)系到水能的利用程度，空化關(guān)系到轉(zhuǎn)輪的使用壽命，而穩(wěn)定性則關(guān)系到機(jī)組乃至電站能否正常運(yùn)行［6］。新轉(zhuǎn)輪需要盡量提高效率，改善空化和壓力脈動(dòng)等穩(wěn)定性能。

4.3.1 轉(zhuǎn)輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

4.3.1.1 效率特性

通過(guò)改變基礎(chǔ)轉(zhuǎn)輪葉片厚度規(guī)律，葉片進(jìn)出口角，優(yōu)化轉(zhuǎn)輪葉片和活動(dòng)導(dǎo)葉的匹配關(guān)系，改善葉片出口環(huán)量分布規(guī)律，提高轉(zhuǎn)輪性能。

CFD分析時(shí)比較了3個(gè)工況點(diǎn)：最優(yōu)點(diǎn)附近，額定水頭額定出力工況點(diǎn)，最大水頭額定出力工況點(diǎn)。從CFD計(jì)算結(jié)果來(lái)看，改型后轉(zhuǎn)輪的數(shù)值效率與改型前的轉(zhuǎn)輪相比略有提高。

4.3.1.2 空化性能

對(duì)空化性能的分析主要是計(jì)算葉片背面最低壓力的大小，比較相同工況點(diǎn)改型前后兩個(gè)葉片的最低相對(duì)壓力值，以確保優(yōu)化后的葉片最低相對(duì)壓力值不能低于原型葉片的。理論上，當(dāng)計(jì)算工況點(diǎn)的絕對(duì)壓力小于水的飽和汽化壓力時(shí)將發(fā)生空化現(xiàn)象［7］，但如果要準(zhǔn)確地計(jì)算出葉片發(fā)生空化現(xiàn)象，需要大量計(jì)算工作量和較復(fù)雜的空蝕模型，所以通常優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)只比較前后兩個(gè)轉(zhuǎn)輪葉片在額定工況點(diǎn)相對(duì)情況，是一種有效簡(jiǎn)捷的分析方法。

4.3.1.3 穩(wěn)定性

混流式水輪機(jī)是定槳式水力機(jī)械，以固定的葉片進(jìn)口角對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)的活動(dòng)導(dǎo)葉出流，只有一個(gè)對(duì)應(yīng)位置為最優(yōu)位置，這時(shí)轉(zhuǎn)輪具有最高效率。調(diào)節(jié)功率是以該位置為中心的某一個(gè)導(dǎo)葉開(kāi)度范圍，當(dāng)偏離最優(yōu)工況運(yùn)行時(shí)，葉片進(jìn)口附近會(huì)產(chǎn)生脫流，葉片出口會(huì)產(chǎn)生漩流。出口漩流會(huì)在尾水管中形成渦帶，尾水管渦帶是混流式水輪機(jī)在偏離最優(yōu)工況運(yùn)行時(shí)都會(huì)產(chǎn)生一種不穩(wěn)定流動(dòng)現(xiàn)象，部分負(fù)荷或過(guò)負(fù)荷都會(huì)產(chǎn)生，是混流式水輪機(jī)一種普遍的固有特性，一般無(wú)法消除。

大量試驗(yàn)研究表明：尾水管中渦帶所產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)幅值大，頻率低，是機(jī)組振動(dòng)的最主要根源。在部分負(fù)荷工況，由于活動(dòng)導(dǎo)葉開(kāi)口很小，進(jìn)入轉(zhuǎn)輪的水流角很小，活動(dòng)導(dǎo)葉的出流角和轉(zhuǎn)輪葉片的進(jìn)口角很不匹配，這時(shí)在葉片頭部會(huì)形成葉道渦，其危害主要是由于流動(dòng)不均勻而產(chǎn)生的二次流，二次流干擾水流正常流動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的壓力脈動(dòng)和不規(guī)則的水力沖擊而產(chǎn)生振動(dòng)［8］。

在轉(zhuǎn)輪優(yōu)化過(guò)程中，對(duì)葉片形狀做了精細(xì)修型，使葉片上的壓力梯度變化更加均勻，說(shuō)明葉片上能量轉(zhuǎn)化均勻，葉片受力均勻使葉片出流均勻且穩(wěn)定，保證了優(yōu)化的轉(zhuǎn)輪具有更好的穩(wěn)定性能。而且，不只是壓力變化，還包括具有良好的速度矢量分布、流線分布，這些指標(biāo)的好壞都決定了機(jī)組穩(wěn)定性的好與壞。

4.3.2 轉(zhuǎn)輪的CFD結(jié)果分析

為了使轉(zhuǎn)輪流場(chǎng)計(jì)算更加合理，轉(zhuǎn)輪的流動(dòng)分析采用活動(dòng)導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪聯(lián)合計(jì)算方式。計(jì)算水頭為30m，模型轉(zhuǎn)輪直徑為352mm。

計(jì)算時(shí)進(jìn)行了轉(zhuǎn)輪改型前后在最優(yōu)工況、額定水頭額定出力工況和最大水頭額定出力工況的對(duì)比。圖9為轉(zhuǎn)輪計(jì)算網(wǎng)格，圖10為葉片工作面壓力分布，圖11 為葉片背面壓力分布，圖12為上冠附近流面速度矢量，圖13 為中間流面速度矢量，圖14 為下環(huán)附近流面速度矢量，圖15 為 流道內(nèi)流線分布。

圖9 轉(zhuǎn)輪計(jì)算網(wǎng)格

圖10 葉片工作面壓力分布

圖11 葉片背面壓力分布

圖12 上冠附近流面速度矢量

圖13 中間流面速度矢量

圖14 下環(huán)附近流面速度矢量

圖15 流道內(nèi)流線分布

從圖10～圖15的CFD分析結(jié)果，改型后的轉(zhuǎn)輪葉片表面壓力分布均勻，速度矢量合理，流線分布均勻。具有很好的能量指標(biāo)。另外，轉(zhuǎn)輪出口環(huán)量減小，轉(zhuǎn)輪葉片表面最低壓力點(diǎn)壓力值不大于原基礎(chǔ)轉(zhuǎn)輪，這樣預(yù)計(jì)新轉(zhuǎn)輪的穩(wěn)定性和空化性能將得到改善。

通過(guò)流動(dòng)分析進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，取得了滿意的結(jié)果。從CFD分析結(jié)果可知，模型轉(zhuǎn)輪不僅具有理想的最高效率，而且高效率區(qū)范圍大，壓力脈動(dòng)幅值低。在整個(gè)運(yùn)行區(qū)，不會(huì)產(chǎn)生葉片正背面脫流，渦帶較細(xì)，且渦帶能量低。

5 模型試驗(yàn)結(jié)果及分析

在水力設(shè)計(jì)過(guò)程中采用水輪機(jī)內(nèi)部三維粘性流動(dòng)分析（CFD）可以對(duì)水輪機(jī)各部件進(jìn)行優(yōu)化，并計(jì)算數(shù)值效率，預(yù)估水輪機(jī)的特性曲線。但是，這種分析的計(jì)算結(jié)果只有在符合給定的假設(shè)和邊界條件下才有效。因此，不能完全反映真實(shí)情況，通常還需做模型試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。

在哈爾濱大電機(jī)研究所高水頭水力試驗(yàn)I臺(tái)完成了轉(zhuǎn)輪A1050模型試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：轉(zhuǎn)輪A1050 模型最高效率為94.46%,效率降幅平緩,高效率區(qū)寬,額定水頭額定出力工況點(diǎn)模型效率90.56%，加權(quán)平均效率高;轉(zhuǎn)輪空化性能好,正常運(yùn)行條件下的裝置空化系數(shù)σp比臨界空化系數(shù)σc大1.6倍,比初生空化系數(shù)σi大1.15倍，空化系數(shù)的安全裕度Kσ相對(duì)較大。在運(yùn)行范圍內(nèi)，尾水管壓力脈動(dòng)幅值最大數(shù)值為8.65%。出現(xiàn)在運(yùn)行幾率很小的最低水頭附近，整個(gè)水輪機(jī)運(yùn)行范圍內(nèi)的壓力脈動(dòng)幅值均滿足合同要求。

綜上所述，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的轉(zhuǎn)輪A1050不僅有優(yōu)良的穩(wěn)定性能，還具有良好的能量、效率、空化、飛逸等性能，用于藏木水電站，可以保證水輪機(jī)的安全、穩(wěn)定、高效的運(yùn)行［3］。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）現(xiàn)代水輪機(jī)模型研究開(kāi)發(fā)的過(guò)程,按照電站的具體參數(shù)和控制尺寸的要求,應(yīng)用數(shù)值計(jì)算方法,對(duì)各過(guò)流部件進(jìn)行優(yōu)選。這種方法可以較準(zhǔn)確地計(jì)算水輪機(jī)各過(guò)流部件內(nèi)部的流動(dòng)情況，預(yù)估水輪機(jī)的性能，從而完成模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)［8］。

（2）在進(jìn)行高比轉(zhuǎn)速水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪水力設(shè)計(jì)時(shí),選擇性能指標(biāo)優(yōu)秀且性能相近的轉(zhuǎn)輪作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)輪;在把握轉(zhuǎn)輪水力設(shè)計(jì)要點(diǎn)的前提下進(jìn)行葉片的設(shè)計(jì)（尤其應(yīng)注意葉片厚度規(guī)律，葉片的翼型及進(jìn)出口角）;再采用流體計(jì)算軟件進(jìn)行活動(dòng)導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪三維聯(lián)合模擬計(jì)算,根據(jù)CFD 分析結(jié)果反復(fù)進(jìn)行葉片改型優(yōu)化設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)模型試驗(yàn)驗(yàn)證，CFD分析結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)值基本吻合，研究成果達(dá)到了優(yōu)化設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)，最終設(shè)計(jì)出滿足水力設(shè)計(jì)參數(shù)要求的高比轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)輪。

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