基于CFD的低水頭軸流式水輪機轉(zhuǎn)輪增容改造研究

張慧珍，盧 磊

(1.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院電力工程系，四川成都611231；2.西華大學(xué)風電技術(shù)研究所,四川成都610039)

我國許多早期的中小型低水頭水電站，大多采用軸流式機組。21世紀以來，很多電站由于使用年限較長，設(shè)備老化率逐漸增加，導(dǎo)致機組經(jīng)常出現(xiàn)內(nèi)部流態(tài)紊亂、效率以及出力嚴重下降等問題。所以，對軸流式水輪機進行增容改造，顯得非常有必要。

近年來，在軸流式水輪機轉(zhuǎn)輪的增容改造方面，人們做了大量的研究，取得了豐碩成果。例如：文獻[1]采用改進升力法設(shè)計的轉(zhuǎn)輪，讓機組的出力提升了22%，效率提升了2.1%；文獻[2]采用增加葉片輪轂厚度，調(diào)整葉片進出角的方式，設(shè)計了新的轉(zhuǎn)輪葉片翼型，機組的效率也提高了4%左右；文獻[3]采用更換新轉(zhuǎn)輪的方式，機組的出力提升了55%，效率提 升了6%。因此，從上述研究手段來看，機組的改造方法主要是結(jié)合電站實際的水紋特征對原老化或選型不當?shù)霓D(zhuǎn)輪進行重新設(shè)計或更換，改造方案均達到了良好的增容效果。因此，在對某電站軸流式機組的增容改造中，根據(jù)電站水頭低、機組的轉(zhuǎn)速低等特點，采取了以貫流式轉(zhuǎn)輪替換原軸流式水輪機的轉(zhuǎn)輪，使新轉(zhuǎn)輪的類型更符合電站水紋特征，以達到提升機組出力和效率的目的。

1 問題描述

以某低水頭水電站軸流式水輪機作為增容改造對象，電站的部分參數(shù)如表1所示。機組改造前的主要指標(改造前的參數(shù)由電站提供)以及改造后的目標，如表2所示。

表1 電站原始部分參數(shù)

表2 改造前后性能指標

2 改造方案的分析

對該軸流式機組的增容改造中，擬選擇的改造方法包括：設(shè)計新的軸流式轉(zhuǎn)輪翼型(方案1)、更換同型號轉(zhuǎn)輪(方案2)、更換為貫流式轉(zhuǎn)輪(方案3)。

這三種方法中，改造對象僅針對轉(zhuǎn)輪。方案1的改造效果比較良好，但是設(shè)計和制造的周期較長[4]；方案2設(shè)計周期短，但因為轉(zhuǎn)輪的類型、尺寸等與舊轉(zhuǎn)輪相同，故改造的效果有限；方案3的依據(jù)在于：該電站超低水頭，且機組的轉(zhuǎn)速較低。按照選型原則[5]來看，貫流式機組更加合適。且貫流式轉(zhuǎn)輪葉片的數(shù)量更少，比轉(zhuǎn)速更高，能夠提高單個葉片過流面的流量。3種方案的特點比較見表3所示。

表3 改造方案特點比較

綜上所述，本文擬采用貫流式轉(zhuǎn)輪替代原軸流式轉(zhuǎn)輪的方案(方案3)。轉(zhuǎn)輪葉片由原來的5個降低為4個，如圖1所示。改造后的全流道模型如圖2所示。

圖1 轉(zhuǎn)輪改造 前后方案對比

圖2 全流道模型

3 改造方案的CFD分析

3.1 約束條件設(shè)置

以設(shè)計工況為例，對方案3進行CFD分析。約束條件設(shè)置步驟為：①網(wǎng)格劃分。對全流道采用混合網(wǎng)格進行劃分[6]，同時進行多面體網(wǎng)格轉(zhuǎn)換操作，其中總單元數(shù)合計為565 311，節(jié)點數(shù)為2 746 262；②湍流模型的選擇。按照文獻[7]的研究結(jié)論，選擇RNG k-epsilon模型；③邊界條件設(shè)置。蝸殼進口斷面為壓力進口，尾水管出口斷面為壓力出口。

3.2 計算結(jié)果后處理

3.2.1 流態(tài)性能分析

將導(dǎo)葉開度調(diào)整至最大，設(shè)計工況下轉(zhuǎn)輪內(nèi)部的水流速度變化規(guī)律，如圖3所示。

圖3 速度變化規(guī)律

由圖3可知，轉(zhuǎn)輪葉片進水端的速度環(huán)量，沿圓周方向保持了良好的對稱性。至出水端，水流速度呈逐漸增大的趨勢，且速度差也比較大，機組能量轉(zhuǎn)化率較高。從速度軌跡線來看，葉片邊界發(fā)生了輕微的渦帶現(xiàn)象，但對機組的影響不大，可以認為流線基本保持順暢，轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流場的整體速度分布情況較好。尾水管內(nèi)部水流速度軌跡線如圖4所示。

圖4 尾水管內(nèi)部水流速度軌跡線

由圖4可知，轉(zhuǎn)輪的出水端形成了一定的速度環(huán)量，致使尾水管的進水錐管產(chǎn)生了死水區(qū)。但是，死水區(qū)與錐管基本上是同心的，故尾水管的錐管段內(nèi)沒有偏心渦帶。渦帶強烈的位置在肘管段末，但靠近擴散段，強度越弱，在出水斷面已經(jīng)不明顯。所以尾水管的流線比較順暢，扭曲程度較小，機組的壓力脈動極為輕微，不會發(fā)生強烈的低頻振動。

轉(zhuǎn)輪葉片的壓力分布情況，如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)輪葉片壓力分布規(guī)律

由圖5可知，轉(zhuǎn)輪的工作面和背面，壓力均是從進水端沿出水端逐漸減小。工作面的出水邊極少量范圍有負壓值，因此遭受汽蝕破壞的可能性較小。而背面存在較大面積的負壓范圍，汽蝕破壞是肯定會發(fā)生。但是，背面的負壓值較低，故產(chǎn)生的汽蝕破壞較輕，可以通過工藝處理來減輕汽蝕的程度，所以新轉(zhuǎn)輪葉片的抗汽蝕性能還是滿足要求的。

機組整體的壓力分布情況，如圖6所示。

圖6 整體壓力分布規(guī)律

從圖6可以看出，在設(shè)計工況下，尾水管的壓力變化規(guī)律為：(1)進口錐管段的斷面開始，中心壓力較小，沿尾水管邊壁方向逐漸增大；(2)肘管段和擴散段的下半端，壓力值可以近似認為是恒定值。故尾水管出水端可以看作是均勻無壓降；(3)尾水管的整個擴散段也可以近似看作壓力均勻分布。在肘管段的中心區(qū)域附近，雖然壓力有劇烈波動的趨勢，但是作用范圍很小，所以對機組的影響不大。

綜上所述，更換轉(zhuǎn)輪后的機組，內(nèi)部流場的流動順暢，滿足使用要求。

3.2.2 效率和出力計算

根據(jù)CFD的分析結(jié)果，進行機組的效率和出力計算[8～9]。

式中，M為轉(zhuǎn)輪力矩；ω為旋轉(zhuǎn)角速度；Q為流量；H為水頭。

出力

N=ρgQHη

(2)

除設(shè)計工況外，本文還對最大水頭工況以及最小水頭工況進行了分析。并按照文獻[10]的方法將仿真效率進行修正，具體結(jié)果如表4所示。

表4 改造前后結(jié)果對比

由表4可知，機組增容改造之后，設(shè)計工況下的修正效率為91.4%，比改造前提升了5.8%，機組出力提高了10.9%。同時，最大水頭工況與最小水頭條件下，修正效率分別提升了5.1%和5.2%，出力分別提升了17%和10.5%，達到了預(yù)期的改造目標。因此改造方案3是行之有效的。

4 電站實測

按照改造方案3，機組成功投入發(fā)電。電站提供的數(shù)據(jù)，如表5所示。

表5 電站實測數(shù)據(jù)

由表5可知，機組的效率和出力均比仿真和修正結(jié)果低。原因在于：①蝸殼、導(dǎo)水機構(gòu)等過流部件依然存在老化問題；②新轉(zhuǎn)輪在生產(chǎn)中不可避免地會受到焊接殘余應(yīng)力的影響，從而導(dǎo)致葉片變形；③水輪發(fā)電機組運行中，還有摩擦損耗、附加損耗等，造成了實際運行的效率低于仿真結(jié)果。但是設(shè)計工況的實際效率值僅比改造目標低0.5%，出力也只比改造目標值低0.4%，屬于合理的誤差范圍。所以采取貫流式轉(zhuǎn)輪替換軸流式轉(zhuǎn)輪的增容改造是行之有效的。

5 結(jié) 論

在對某電站軸流式水輪機進行增容改造，考慮到超低水頭的特征，采用了貫流式轉(zhuǎn)輪替換原軸流式轉(zhuǎn)輪的改造方案，經(jīng)過CFD分析結(jié)果顯示，該改造方案的結(jié)果達到了預(yù)期目標。并且機組成功投入發(fā)電，對發(fā)電后的實際數(shù)據(jù)測試，進一步驗證了該方法的可行性。