基于CFD的映秀灣電站水輪機轉(zhuǎn)輪優(yōu)化分析

楊 軍，卿 彪

(國網(wǎng)四川省電力公司映秀灣水力發(fā)電總廠，成都 611830)

映秀灣水電站位于四川省汶川縣境內(nèi)，坐落于岷江上游左岸，系一低閘隧洞引水式徑流電站。其機組在經(jīng)過多年的運行之后，機組效率和水力穩(wěn)定性降低，空化空蝕嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了水輪發(fā)電機組的穩(wěn)定、高效運行。因此為了提高機組性能，有必要對映秀灣電站機組轉(zhuǎn)輪進行優(yōu)化設(shè)計。本文先對轉(zhuǎn)輪進行優(yōu)化設(shè)計，而后采用計算流體動力學(xué)的方法(CFD)對轉(zhuǎn)輪和活動導(dǎo)葉進行聯(lián)合計算，進而分析新轉(zhuǎn)輪的指標(biāo)是否符合改造要求。

1 轉(zhuǎn)輪設(shè)計

1.1 基礎(chǔ)轉(zhuǎn)輪的選擇

現(xiàn)代水輪機水力設(shè)計的特點是針對某一電站的具體參數(shù)條件，首先選擇盡量能夠適應(yīng)或接近于該電站參數(shù)的、性能較好的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)輪，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用現(xiàn)代水力設(shè)計手段進行轉(zhuǎn)輪的優(yōu)化設(shè)計[1]，使新設(shè)計出的轉(zhuǎn)輪的各項性能指標(biāo)全面優(yōu)于原基礎(chǔ)轉(zhuǎn)輪，并且更加適應(yīng)于電站的參數(shù)條件，表1為映秀灣電站原水輪機的設(shè)計參數(shù)，原水輪機轉(zhuǎn)輪為A36。

此次改造的目的是為了提高水輪機效率并改善機組的水力穩(wěn)定性。希望在水頭未47～48 m ，水輪機出力為40 MW左右處于高效率區(qū)運行，而改造后水輪機額定出力不變，同時提高水輪機抗磨蝕能力。因此在此次改造過程中，能更換的只是轉(zhuǎn)輪，導(dǎo)葉或者對固定導(dǎo)葉進行局部的修型處理，同時還得考慮實際通道條件的限制。

綜合映秀灣電站的基本參數(shù)以及此次改造的目的，此次轉(zhuǎn)輪的優(yōu)化設(shè)計選擇的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)輪型號為A982，其能量指標(biāo)，空化指標(biāo)，以及壓力脈動等性能指標(biāo)都達到了很高的水平(見表2)。

1.2 轉(zhuǎn)輪軸面圖的對比

表1 原水輪機設(shè)計參數(shù)Tab1.Design parameters of raw water turbine

表2 A9822轉(zhuǎn)輪基本能量指標(biāo)Tab.2 Basic energy index of A982 runner

A982轉(zhuǎn)輪與A36轉(zhuǎn)輪的軸面圖如圖1所示，前者的導(dǎo)葉高度是0.288，后者的導(dǎo)葉高度是0.25，因此為了滿足映秀灣電站的通道條件，在優(yōu)化過程當(dāng)中的，將A982轉(zhuǎn)輪的上冠下壓，將導(dǎo)葉高度由0.288下降到0.25，如圖1中粗實線所示，這就是新轉(zhuǎn)輪A606c轉(zhuǎn)輪的流道圖。新轉(zhuǎn)輪 A606c比 A982的流量減小，基本適合于映秀灣電站參數(shù)要求，A982轉(zhuǎn)輪下環(huán)軸面高度以及轉(zhuǎn)輪出口直徑與A36基本吻合， 故采用 A982做基礎(chǔ)轉(zhuǎn)輪的方案可使映秀灣電站原錐管保持不變。

圖1 軸面比較圖Fig.1 Comparison chart of axial plane

2 數(shù)值模擬

2.1 控制方程

為了使得轉(zhuǎn)輪的計算更加合理，本次計算采用轉(zhuǎn)輪與活動導(dǎo)葉聯(lián)合計算的方式，其計算過程中涉及的控制方程如下[2-4]：

連續(xù)方程：

(1)

動量方程：

(2)

1986年Yakhot和Orszag提出RNGk-ε模型。Renormalization Group(譯為重正化群)的縮寫為RNG。修正后的k方程和ε方程形式分別如下：

(4)

(5)

式中：μt=ρCμκ2/ε為湍流黏度；μeff=μ+μt為有效黏性系數(shù)。

μt為分析了旋轉(zhuǎn)葉輪式流體機械流場效果；Boussines，設(shè)：

2.2 模型建立

根據(jù)改型設(shè)計目標(biāo)參數(shù)的要求，經(jīng)過多次計算，比較改型前后轉(zhuǎn)輪葉片區(qū)域工作面及背面壓力分布、速度分布、流線分布的合理性，計算比較改型前后轉(zhuǎn)輪數(shù)值效率的高低及轉(zhuǎn)輪出口環(huán)量、最低壓力以及流速變化，優(yōu)化篩選出一個較優(yōu)的設(shè)計方案。圖2和圖3分別是轉(zhuǎn)輪聯(lián)合計算的模型及網(wǎng)格劃分，此次網(wǎng)格劃分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，單周期網(wǎng)格節(jié)點數(shù)約為8萬個。根據(jù)映秀灣電站水輪機運行負荷加權(quán)因子表的具體情況，在 CFD 計算時著重分析了最優(yōu)工況、額定水頭額定出力工況、最低水頭額定出力工況和最大水頭額定出力工況(見表3)。

圖2 計算區(qū)域Fig.2 Calculation area

圖3 網(wǎng)格劃分Fig.3 Mesh generation

計算工況單位流量Q11/(m3·s-1)單位轉(zhuǎn)速n11/(r·min-1)最優(yōu)工況0．62069．00額定水頭，額定出力0．73071．10最小水頭，額定出力0．72576．20最大水頭0．55064．30

2.3 模擬結(jié)果及分析

為了充分對改型轉(zhuǎn)輪與原型轉(zhuǎn)輪進行比較，分別對電站原轉(zhuǎn)輪A36和改型后轉(zhuǎn)輪 A606c 進行 CFD 分析計算。以下給出了電站原轉(zhuǎn)輪 A36 和改型后轉(zhuǎn)輪 A606c 在以上各個工況的流場分布情況，現(xiàn)僅列舉最優(yōu)工況下的模擬結(jié)果。

圖4 A36和A606c葉片正面壓力分布Fig.4 A36 and A606c blade positive pressure distribution

圖5 A36和A606c葉片背面壓力分布Fig.5 A36 and A606c blade negative pressure distribution

圖6 A36和A606c葉片區(qū)域流線圖壓力分布Fig.6 Pressure distribution of flow line in A36 and A606c blade area

圖7 A36和A606c葉片上冠附近速度矢量Fig.7 Velocity vector near the crown of A36 and A606c blade

圖8 A36和A606c葉片中間流面速度矢量Fig.8 Intermediate velocity vector of A36 and A606c blade

圖9 A36和A606c葉片下環(huán)附近速度矢量Fig.9 Velocity vector near the lower ring of A36 and A606c blade

從圖4～圖9的液體流態(tài)分析可以得出，新轉(zhuǎn)輪 A606c葉葉片工作面和背面壓力分布均勻，特別是背面壓力分布明顯好于 A36 轉(zhuǎn)輪。新轉(zhuǎn)輪葉片頭部正面速度矢量分布均勻，沒有出現(xiàn)葉片進口頭部水流撞 擊產(chǎn)生的回流現(xiàn)象，整個液道間流線分布合理。新轉(zhuǎn)輪葉片頭部背面速度矢量分布均勻，同樣沒有出現(xiàn)葉片進口頭部水流撞擊產(chǎn)生 的回流現(xiàn)象。通過多工況 CFD 分析結(jié)果分析可知，葉片正、背面脫流現(xiàn)象在映秀灣水輪機運行范圍內(nèi)基本不會出現(xiàn)。流態(tài)分布的均勻性將會對整個機組的穩(wěn)定性非常有利。

圖10的數(shù)值效率比較圖計算了在額定水頭下，不同流量工況點時數(shù)值效率。從圖10可以看出，A606c轉(zhuǎn)輪的數(shù)值效率始終高于A36轉(zhuǎn)輪，在數(shù)值上提高了2.5%以上。從圖11可以看出，在額定水頭下，不同流量工況點，A606c的最低壓力均大于相同條件下A36最低壓力，這說明新轉(zhuǎn)輪A606c的空化性能要優(yōu)于舊轉(zhuǎn)輪A36[5-7]。

圖10 數(shù)值效率比較圖(n11=71.1 r/min)Fig.10 Numerical efficiency comparison chart(n11=71.1 r/min)

圖11 最低壓力比較圖(n11=71.1 r/min)Fig.11 Minimum pressure comparison chart(n11=71.1 r/min)

3 結(jié) 語

本文先對映秀灣電站機組的轉(zhuǎn)輪進行了優(yōu)化設(shè)計，在選擇好合適的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)輪之后，根據(jù)映秀灣電站的實際情況進行了修型處理得到了新轉(zhuǎn)輪。隨后利用CFD對映秀灣水電站新轉(zhuǎn)輪進行了計算，從以上分析可以得出以下結(jié)論。

(1)新轉(zhuǎn)輪A606c各項指標(biāo)(能量指標(biāo)，空化指標(biāo)，穩(wěn)定性等)都優(yōu)于舊轉(zhuǎn)輪A36。

(2)通過選擇的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)輪A982改造后的新轉(zhuǎn)輪A606c滿足映秀灣電站的實際條件。

(3)此次映秀灣電站的轉(zhuǎn)輪改造達到了當(dāng)初預(yù)計的改造要求。

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