中小型混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪優(yōu)化改造方法及CFD分析

張慧珍

【摘 要】為了達(dá)到提升中小型混流式水輪機(jī)組出力和效率的目的。本文在對(duì)比了目前3種主要改造方法的特點(diǎn)之后，選擇翼型重新設(shè)計(jì)的方法對(duì)某電站的混流式水輪機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化改造。最后，通過(guò)CFD分析驗(yàn)證了改造后的機(jī)組水力性能。結(jié)果顯示，重新設(shè)計(jì)翼型后的轉(zhuǎn)輪，提升了機(jī)組的水力特性，水輪機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)比較順暢，壓力分布也比較良好，且負(fù)壓區(qū)域較好，具有良好的抗汽蝕性。為后續(xù)相關(guān)機(jī)組的優(yōu)化改造提供了參考依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】混流式水輪機(jī)；轉(zhuǎn)輪；優(yōu)化改造；CFD分析

中圖分類號(hào)： F426.63 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2017）23-0036-002

【Abstract】In order to achieve the purpose of improving the output and efficiency of small and medium-sized Francis turbine. In this paper， after comparing the characteristics of the three main transformation methods， the airfoil redesign method is selected to optimize the mixed flow turbine of a power station. Finally， the hydraulic performance of the unit is verified by CFD analysis. The results show that the re-design of the rotor after the airfoil to enhance the hydraulic characteristics of the unit， the turbine flow field is relatively smooth， the pressure distribution is also relatively good， and the negative pressure area is better， with good anti-cavitation. Which provides a reference for the optimization of the related units.

【Key words】Francis turbine；Runner；Optimization；CFD analysis

0 引言

對(duì)于中小型混流式水輪發(fā)電機(jī)組而言，往往在投入使用一段時(shí)間之后，會(huì)出現(xiàn)出力不足等問(wèn)題，直接影響電站的經(jīng)濟(jì)效益。因此，對(duì)電站的機(jī)組進(jìn)行增容改造是非常必要的工作。近年來(lái)，我國(guó)在上世紀(jì)70、80年代投入使用的中小型混流式水輪機(jī)，由于年久老化、轉(zhuǎn)輪選型不當(dāng)?shù)仍?，陸續(xù)出現(xiàn)出力不足、效率低下等問(wèn)題。因此，對(duì)機(jī)組進(jìn)行增容改造的工作勢(shì)在必行。所以，研究合理的水輪機(jī)優(yōu)化改造方法，具有舉足輕重的意義。

就混流式水輪機(jī)的增容改造方法而言，人們做了大量的研究。其中，包括優(yōu)化尾水管設(shè)計(jì)、改進(jìn)活動(dòng)導(dǎo)葉型線、對(duì)蝸殼舌板進(jìn)行修型等。但是眾所周知，轉(zhuǎn)輪是水輪發(fā)電機(jī)組的最關(guān)鍵部件[1]。而對(duì)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行優(yōu)化改造，也是達(dá)到提升機(jī)組容量和效率的非常有效的方式。因此，探討中小型混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的優(yōu)化改造方法，對(duì)于提升機(jī)組的容量，增大轉(zhuǎn)輪葉片的過(guò)流流量，提高機(jī)組的發(fā)電效率等方面均有重要的意義。綜上所述，本文以某混流式水輪機(jī)為改造案例，通過(guò)分析轉(zhuǎn)輪的改造方法，并進(jìn)行了CFD分析，從數(shù)值計(jì)算的角度驗(yàn)證了改造方法的合理性。

1 轉(zhuǎn)輪優(yōu)化改造方法的選擇

本文以某混流式水輪發(fā)電機(jī)組作為優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)象，該機(jī)組屬于立式機(jī)組，轉(zhuǎn)輪型號(hào)為HL110。由于該機(jī)組目前已經(jīng)投入使用多年，出力和效率都嚴(yán)重低下，所以需要對(duì)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行改造達(dá)到提升出力和效率的目的。

從目前主要的轉(zhuǎn)輪優(yōu)化改造方法來(lái)看，主要有[2]：（1）增大轉(zhuǎn)輪葉片的漿葉角度，以達(dá)到增大過(guò)流面流量的目的，實(shí)現(xiàn)出力的提高。雖然從理論上來(lái)說(shuō)，該方法確實(shí)能夠達(dá)到提升出力的目的，但是增大漿葉的角度，會(huì)使水輪機(jī)的運(yùn)行條件發(fā)生變化，通常情況下會(huì)朝遠(yuǎn)離最優(yōu)工況的特性曲線偏移。也就是說(shuō)，雖然局部的流量增大促進(jìn)了出力和效率的提升，但最優(yōu)工況的偏離，也會(huì)導(dǎo)致水力性能惡化，效率下降等問(wèn)題，綜合看來(lái)，改造的效果并不明顯；（2）增加轉(zhuǎn)輪直徑。該方案對(duì)于優(yōu)化改造而言，是最有效的方案，不僅能夠有效提高出力和效率，還能夠進(jìn)一步優(yōu)化水力特性。但是，由于水輪發(fā)電機(jī)組的各過(guò)流部件都是相互配合的，增大轉(zhuǎn)輪直徑，會(huì)導(dǎo)致相關(guān)過(guò)流部件如導(dǎo)葉、蝸殼等尺寸全部發(fā)生變化，也就是說(shuō)，相關(guān)的過(guò)流部件將全部更換，這樣一來(lái)會(huì)導(dǎo)致造價(jià)過(guò)高；（3）改變轉(zhuǎn)輪葉片的翼型。重新設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)輪葉片的翼型，并完成轉(zhuǎn)輪的更換，是目前應(yīng)用比較廣的一種方法。由于設(shè)計(jì)新的翼型，是根據(jù)電站的水紋條件來(lái)進(jìn)行的，因此不會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行時(shí)偏離最優(yōu)工況。同時(shí)，也不用增加轉(zhuǎn)輪的直徑，所以其余的過(guò)流部件不必更換，經(jīng)濟(jì)效益比較好。綜上所述，本文在該電站機(jī)組優(yōu)化改造方法的研究中，擬選擇改變轉(zhuǎn)輪葉片翼型的優(yōu)化改造方法。

2 優(yōu)化改造方法的實(shí)施及CFD分析

根據(jù)優(yōu)化改造方案3，該機(jī)組所重新設(shè)計(jì)的葉片翼型及三維實(shí)體模型，其中，實(shí)體模型劃分為13個(gè)截面（即13個(gè)翼型），具體情況如圖1所示。

為了驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)的效果，對(duì)改造后的方案進(jìn)行CFD分析。選擇的工況類型為額定工況，數(shù)值計(jì)算得到的速度壓力分布規(guī)律，如圖2～3所示。

如圖2所示，在額定工況條件下，無(wú)論是轉(zhuǎn)輪葉片的正面還是背面，其水流速度的分布是比較均勻的，沿著葉片的水端至出水端幾乎沒有回流、漩渦以及橫向流動(dòng)等問(wèn)題，可以認(rèn)為，在轉(zhuǎn)輪流域內(nèi)，整個(gè)流線的順暢度較高，水流速度分布狀態(tài)比較好。

如圖3所示，葉片的正面和背面水壓力分布規(guī)律為：由葉片的進(jìn)水端至出水端呈梯度、均勻降低的趨勢(shì)。從壓力的數(shù)值大小來(lái)看，正面的壓力水平比背面的壓力水平高，但二者整體壓力分布情況比較好。只是在葉片背面的出水端附近，有極少量存在負(fù)壓的區(qū)域，也就是說(shuō)，在實(shí)際中，有可能會(huì)存在輕微的汽蝕現(xiàn)象，但這也是水輪發(fā)電機(jī)組無(wú)法避免的問(wèn)題。因此可以認(rèn)為，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的翼型具有良好的壓力分布規(guī)律。

綜上所述，完成轉(zhuǎn)輪優(yōu)化設(shè)計(jì)改造后，新設(shè)計(jì)的翼型無(wú)論是速度還是壓力分布情況，都具有良好的性能。也就是說(shuō)，通過(guò)重新設(shè)計(jì)翼型的改造方法，達(dá)到了預(yù)期的改造目標(biāo)，機(jī)組的出力和效率都會(huì)得到有效提升。

3 結(jié)論

在混流式水輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)輪優(yōu)化改造中，如何采用最有效的方法設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)輪，是一個(gè)值得研究的問(wèn)題。本文結(jié)合了3種改造方法的特點(diǎn)，選擇了重新設(shè)計(jì)翼型的改造方法，并通過(guò)CFD分析驗(yàn)證了良好的改造效果。同時(shí)也得看出，CFD分析還存在精度的問(wèn)題，因此，后續(xù)還需要進(jìn)行模型試驗(yàn)，才能夠進(jìn)一步驗(yàn)證該方案是否為最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

【參考文獻(xiàn)】

[1]程良駿.水輪機(jī)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1981.

[2]曲衛(wèi)東，朱海濱，唐士濤.水輪機(jī)出力不足分析及轉(zhuǎn)輪的改造[J].黑龍江水利科技，2001（4）：66-67.endprint