基于CFD計算的水輪機蝸殼改型水力設計

【摘要】針對某水電站項目，水輪機原蝸殼模型參數(shù)需進行改型設計。本文研究了蝸殼水力設計三種方法的內(nèi)在聯(lián)系，結(jié)合該項目技術(shù)要求，分別應用等周向平均速度法和給定面積變化規(guī)律法對原蝸殼進行改型水力設計，采用CFD方法對原模型蝸殼與改型設計蝸殼對應的三種水輪機全流道進行數(shù)值計算，比較了原模型蝸殼與改型蝸殼的計算結(jié)果。結(jié)果表明：兩種方法所設計的蝸殼水力損失小，水輪機水力效率高，都優(yōu)于原蝸殼，且滿足水輪機技術(shù)性能保證要求，給定面積變化規(guī)律法設計的蝸殼水力性能更優(yōu)秀。

【關(guān)鍵詞】水輪機；蝸殼水力設計；水力效率；CFD分析

1、引言

蝸殼是水輪機的重要過流部件，在水輪機水力設計中有著重要地位，其作用是引導水流沿圓周方向均勻進入導水機構(gòu)，并具有一定量的圓周速度。

本文結(jié)合某水電站項目，水輪機蝸殼按模型相似換算后蝸殼進口直徑Φ1482mm，因水輪機結(jié)構(gòu)設計限制，蝸殼進口直徑需增大至Φ1700mm，在其它過流部件不改變前提下，僅對蝸殼進行改型設計，因而蝸殼各殼節(jié)斷面的幾何參數(shù)需重新進行水力設計。基于計算流體動力學（CFD）方法對所設計的蝸殼與原蝸殼的水輪機全流道進行數(shù)值計算，針對蝸殼的改型設計，使設計的蝸殼水力損失小，水輪機水力性能優(yōu)良，滿足水輪機技術(shù)性能保證要求。

2、水輪機蝸殼水力設計方法

本文為蝸殼改型水力設計，前提條件：蝸殼為圓形斷面的完全蝸殼，參數(shù)、、、已知。為蝸殼包角，蝸殼進口半徑，為蝸殼殼節(jié)與座環(huán)搭接點到導水機構(gòu)水平中心線的距離，為殼節(jié)與座環(huán)搭接點到轉(zhuǎn)輪中心線距離；蝸殼第i斷面幾何參數(shù)：殼節(jié)半徑，殼節(jié)圓心到機組中心的距離，如圖1所示，為第i斷面蝸殼包角，第i斷面面積。并假設蝸殼內(nèi)流動為平面定常流動，蝸殼出流量周向均勻。水輪機蝸殼水力設計常用四種設計方法，針對本電站的蝸殼改型設計，四種設計方法筆者都進行了嘗試。

①等速度矩法：假定蝸殼中的水流按等速度矩（）規(guī)律分布，在對蝸殼尾部斷面參數(shù)計算時，得出的蝸殼尾部斷面半徑過小，因本電站為低比轉(zhuǎn)數(shù)混流式水輪機組，殼節(jié)斷面半徑尤為減小，采用該方法設計的蝸殼多有以渦對形式出現(xiàn)的二次流動，且蝸殼尾部水力損失大。故本文未采用此計算方法。

②等周向平均速度法：假定蝸殼各斷面水流的圓周速度相等（），因改型蝸殼進口斷面尺寸已知，故每個殼節(jié)斷面的圓周速度都相等為常數(shù)，即，求出斷面面積，可以看出殼節(jié)斷面面積是蝸殼包角的正比例函數(shù)：。因其它幾何參數(shù)已知，斷面面積僅與斷面半徑有關(guān)，即：，從而求解出半徑是斷面面積的反函數(shù)，即：，中心距：，得出蝸殼斷面幾何參數(shù)。

3、數(shù)值計算結(jié)果及分析

在額定水頭H=142.9m，導葉開度為15度的額定工況下，計算了三種蝸殼對應的水輪機全流道流動，分別命名為原蝸殼1（模型換算，蝸殼進口Φ1481.2）、改型蝸殼2（方法②設計，蝸殼進口直徑Φ1700）、改型蝸殼3（方法③設計，蝸殼進口直徑Φ1700）數(shù)值計算結(jié)果如表1所示。

對比改型前后計算結(jié)果：原蝸殼1的全流道計算水力效率為94.85%，模型綜合特性曲線試驗效率為93.51%，計算誤差在可容許范圍之內(nèi)。改型蝸殼水輪機過流能力與原蝸殼1基本一致，水力效率則稍有增大，蝸殼段水力損失減??；兩種改型蝸殼水力性能都能滿足水輪機水力性能保證要求，給定面積變化規(guī)律法所設計的蝸殼水力損失更小一些。

4、結(jié)論

淺析水輪機蝸殼水力設計三種方法：彼此相互關(guān)聯(lián)，在一定的變換條件下，彼此可相互轉(zhuǎn)化；通過分析蝸殼改型前后的水輪機全流道CFD計算結(jié)果得出：改型蝸殼對固定導葉、活動導葉、轉(zhuǎn)輪流道的水力性能影響很小，兩種方法設計的改型蝸殼都能滿足水輪機的性能合同保證，采用給定斷面面積法設計蝸殼的水力損失更小些，水輪機水力效率更優(yōu)秀。

參考文獻：

[1] 鐘堰輝，張思青，胡秀成等.混流式水輪機導水機構(gòu)三維定常CFD分析[J].水電能源科學，2009，27（5）：182-183，107.

[2] 齊學義.流體機械設計理論與方法[M].北京：中國水利水電出版社，2008.

[3] 楊 靜，周凌九，王正偉.導水機構(gòu)對混流式水輪機流場的影響研究[C]. 蘭州：第四屆全國水力機械及其系統(tǒng)會議論文集，2011.