混流式水輪機水力設計技術(shù)的研究和應用

彭忠年，陳 銳，莫為澤，田婭娟，薛 鵬，王 鑫

（中國水利水電科學研究院 水力機電研究所，北京 100038）

1 引言

混流式水輪機具有水頭范圍廣，結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)輪強度高的特點，是水電站應用最廣泛的機型，約占水電裝機容量的80%。目前水輪機水力設計采用假定過流通道的幾何形狀（水力模型），通過計算流體動力學（CFD）分析方法對N-S方程進行正問題數(shù)值求解，根據(jù)計算結(jié)果對水力模型進行優(yōu)化，迭代計算與優(yōu)化流程直至達到預期目標，并將最終得到的水力模型進行模型試驗驗證。水輪機水力設計技術(shù)涉及流體力學、計算機數(shù)值仿真、多目標優(yōu)化、測量檢測技術(shù)等多個專業(yè)，其設計水平體現(xiàn)在能否快速設計出綜合水力性能參數(shù)（效率、空化、穩(wěn)定性和適應性）最佳的水力模型，對水輪機內(nèi)部流動規(guī)律認識的不斷深入和理論的不斷更新，推動著水輪機水力設計水平的不斷提高。

三峽電站選用中比轉(zhuǎn)速的混流式水輪機，轉(zhuǎn)輪名義直徑接近10 m，機組單機容量為700 MW，屬巨大型機組。隨著水輪機組尺寸的增大，除了水力效率和空化性能之外，機組的運行穩(wěn)定性問題變得更加突出，大型水電站陸續(xù)暴露出的機組與廠房振動、轉(zhuǎn)輪葉片開裂等問題均引起了人們對三峽水輪機運行穩(wěn)定性的高度重視。為三峽水輪機性能參數(shù)和額定水頭的選擇論證提供技術(shù)支持，1995年中國水科院承擔的“三峽水輪機轉(zhuǎn)輪及通流部件優(yōu)化研究”被列入了“九五”國家重點科技項目。

國內(nèi)1995年底前建成且尚在運行的中小型水電站約2.2萬座，具有增效擴容改造潛力的有5700多座，裝機容量近8000 MW，這些電站大多存在機組技術(shù)水平落后、設計參數(shù)偏離實際運行參數(shù)、空蝕磨損嚴重等諸多問題［1］。據(jù)統(tǒng)計，單機容量在500～3000 kW段機組，綜合效率低于80%的占54%；單機容量在3000～12 000 kW段機組，綜合效率低于80%的占38%［2］，亟待利用新型水輪機技術(shù)進行增效擴容改造。

我國有大量采用混流式水輪機的徑流式水電站運行，其特點是季節(jié)分明，豐、枯水期流量相差很大，枯水期機組或在偏離設計工況的小負荷區(qū)域運行（效率大幅降低、機組振動存在安全隱患）或被迫停機棄水，水力資源不能高效利用。傳統(tǒng)的方法是根據(jù)枯水期的水力參數(shù)，為水電站增配一臺小容量水輪發(fā)電機組，弊端是投資大、建設周期長、不確定因素多、影響電站的正常生產(chǎn)和管理維護。

2 水力設計技術(shù)研究的思路

我所依托巨型水電站重點攻關(guān)項目，深入開展混流式水輪機轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流態(tài)觀測與穩(wěn)定性研究，自主建立了混流式水輪機內(nèi)部流動模型，設計了大量不同厚度分布規(guī)律的葉片翼型并提出了實用的葉片翼型厚度分布計算公式，提出了獨具特色的轉(zhuǎn)輪葉片積疊成型技術(shù)；建立混流式水輪機水力設計系統(tǒng)，利用高精度水力模型性能試驗、流態(tài)觀察與CFD分析對水力設計系統(tǒng)進行改進和完善。逐步建立覆蓋混流式水輪機適用水頭運行范圍的水輪機水力模型庫，設計系統(tǒng)具備獨立開發(fā)高效水力模型的能力，設計參數(shù)與預期目標一致；突破混流式水輪機型譜的局限性，利用上述水力設計系統(tǒng)對不同參數(shù)的水電站進行針對性的個性化設計，最大限度地提高水電站效益；探討徑流式水電站普遍存在的豐枯水期流量差別大、混流式水輪機難以兼顧運行的技術(shù)難題，尋求經(jīng)濟有效的解決途徑；響應國家節(jié)能減排的戰(zhàn)略部署，積極參與水電站增效擴容改造工程，針對不同水電站水輪機存在的各式各樣錯綜復雜的問題，理清主從關(guān)系，全面兼顧，提出系統(tǒng)解決方案?？傮w研究路線見圖1。

圖1 總體研究路線

3 水力設計技術(shù)研究的進展

3.1 水輪機水力穩(wěn)定性表征形式我所在國內(nèi)率先開展混流式水輪機內(nèi)部流態(tài)觀測試驗研究，探索內(nèi)部流動及水壓脈動規(guī)律。依托高精度水力機械模型試驗臺，對高、中、低不同水頭段混流式水輪機水力模型進行了模型測試與觀測。由于混流式水輪機轉(zhuǎn)輪葉片固定，只有活動導葉單調(diào)節(jié)，當運行工況偏離最優(yōu)點時，不僅水輪機效率降低，而且水流將在轉(zhuǎn)輪葉片進口產(chǎn)生“撞擊”、脫流、空化，嚴重時產(chǎn)生葉道渦，在尾水管中則產(chǎn)生正向或反向旋轉(zhuǎn)渦帶，運行工況偏離愈遠，情況愈嚴重。這些將導致機組的振動和出力擺動，嚴重時將威脅到機組的安全運行。通過進行能量、空化、壓力脈動及流態(tài)觀測等試驗，獲得了大量詳實數(shù)據(jù)，系統(tǒng)觀測到了轉(zhuǎn)輪葉道渦、轉(zhuǎn)輪葉片進水邊正面空化、背面空化的發(fā)生與發(fā)展情況，尾水管中渦帶的產(chǎn)生與發(fā)展情況［3-4］。水輪機內(nèi)部不同流態(tài)特征見圖2。

圖2 混流式水輪機流態(tài)特征

通過系統(tǒng)測量不同工況條件下的模型水輪機蝸殼進口、固定導葉與活動導葉間、活動導葉與轉(zhuǎn)輪葉片間、尾水管錐管、尾水管肘管和尾水管擴散管處的水壓脈動值，了解了壓力脈動的特征及空化系數(shù)的變化對上述現(xiàn)象及參數(shù)的影響。將轉(zhuǎn)輪葉片進口邊正、背面初生空化臨界線、葉道渦臨界線及尾水管渦帶臨界線等有關(guān)穩(wěn)定性的特征線結(jié)合到水輪機模型綜合特性曲線上，建立水輪機內(nèi)部流態(tài)穩(wěn)定性特征與外特性參數(shù)的對應關(guān)系，劃定穩(wěn)定運行區(qū)域和非穩(wěn)定運行區(qū)域。首次在國內(nèi)制定出了包括葉道渦初生臨界線、轉(zhuǎn)輪葉片進水邊正面空化臨界線、轉(zhuǎn)輪葉片進水邊背面空化臨界線及尾水管無渦區(qū)臨界線的水輪機模型綜合特性曲線，參見圖3。通過給出不同臨界線和運行區(qū)域，可以有效地指導優(yōu)化電站機組運行工況并延長機組壽命，以提高電站安全經(jīng)濟運行水平。

圖3 混流式水輪機模型特性曲線（包含各種臨界線）

3.2 水力設計理論

（1）葉片環(huán)量分布模型。轉(zhuǎn)輪是水輪機將水流能量轉(zhuǎn)換成機械能的核心部件，轉(zhuǎn)輪通過約束水流運動改變其環(huán)量而自身獲得轉(zhuǎn)動力矩。轉(zhuǎn)輪葉片區(qū)間的水流環(huán)量分布規(guī)律直接影響到轉(zhuǎn)輪的水力效率、空化及水輪機的水力穩(wěn)定性?；诖罅康霓D(zhuǎn)輪流態(tài)觀測分析結(jié)果和轉(zhuǎn)輪流道CFD分析結(jié)果，總結(jié)得出轉(zhuǎn)輪葉片區(qū)間的水流環(huán)量分布規(guī)律，并建立起相應的數(shù)學模型。

（2）轉(zhuǎn)輪葉片厚度分布數(shù)學模型及其計算公式。為保證混流式水輪機轉(zhuǎn)輪具有足夠的強度與剛度，轉(zhuǎn)輪葉片必須有足夠的厚度，轉(zhuǎn)輪葉片從進口至出口的翼型厚度分布規(guī)律直接影響到轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流態(tài)，因而顯著影響水輪機效率、空蝕與噪聲等性能參數(shù)。打破選取某一種NACA翼型對葉片進行加厚處理的傳統(tǒng)方法，根據(jù)NACA翼型形成機理，自主設計了大量不同厚度分布規(guī)律的葉片翼型并進行了CFD計算研究與分析總結(jié)，提出了實用的葉片翼型厚度分布計算公式。該公式不僅在轉(zhuǎn)輪優(yōu)化設計中應用方便，還可以根據(jù)電站水質(zhì)情況為兼顧轉(zhuǎn)輪的效率與耐泥沙磨損能力而方便地調(diào)整翼型厚度分布。

（3）轉(zhuǎn)輪葉片積疊成型技術(shù)。在“葉片數(shù)無限多”“轉(zhuǎn)輪葉片區(qū)間流動軸對稱”等假設的基礎(chǔ)上，用正交于水流方向的某等勢線作為積疊軸調(diào)整葉片傾角，使其沿積疊軸方向的壓力梯度趨于零，讓葉片表面壓力分布更趨合理，從而提高轉(zhuǎn)輪的高效運行范圍。

依托以上研究基礎(chǔ)所形成的混流式水輪機水力設計方法［5-6］，提高了高水頭機型的空化性能［7-8］，顯著降低了低水頭機型葉道間橫流對效率的影響［9］。如中國水科院研發(fā)的低比轉(zhuǎn)速JF09和JF18系列水力模型的空化系數(shù)明顯小于國際大型水電站水輪機空化系數(shù)統(tǒng)計曲線，見圖4；中國水科院研發(fā)的高比轉(zhuǎn)速JF36系列低水頭水力模型，其最高效率和過流能力在45 m以下水頭段混流式水力模型中處于國際領(lǐng)先水平，見圖5。

圖4 高水頭水輪機空化系數(shù)比較

3.3 混流式水輪機水力設計系統(tǒng)基于創(chuàng)新的水力設計理論和多年積累的水力設計數(shù)據(jù)庫，研發(fā)混流式水輪機水力設計軟件系統(tǒng)，利用高精度模型試驗臺和先進的流態(tài)觀測系統(tǒng)與CFD分析手段，對模型假設及數(shù)學模型等不斷進行改進和完善，水力設計系統(tǒng)工作流程見圖6。該水力設計軟件系統(tǒng)具備多約束多目標優(yōu)化設計能力，可實現(xiàn)混流式水輪機“量體裁衣”式定制，滿足混流式電站建設和增效擴容改造的需求。

混流式水輪機水力設計數(shù)據(jù)庫。該庫是近30年混流式水輪機設計經(jīng)驗、成果和模型試驗、水電站運行數(shù)據(jù)的匯總，包括覆蓋全水頭范圍的混流式水輪機水力模型庫、翼型庫、模型試驗數(shù)據(jù)庫以及水電站運行數(shù)據(jù)庫等。這些數(shù)據(jù)庫是混流式水輪機水力設計系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)，為水輪機全流道水力模型設計提供強有力的支撐。水輪機全流道水力設計和CFD數(shù)值仿真。模型水輪機全流道計算域見圖7，CFD數(shù)值仿真計算結(jié)果見圖8。

圖6 水力設計系統(tǒng)工作流程

圖7 混流式水輪機全流道計算域

圖8 混流式水輪機全流道CFD計算壓力分布

3.4 混流式水輪機“豐枯水期雙轉(zhuǎn)輪配置”技術(shù)針對徑流式水電站豐枯水期特點，率先提出水輪機“枯水期轉(zhuǎn)輪”、“雙轉(zhuǎn)輪配置”的技術(shù)理念。將原水輪機轉(zhuǎn)輪作為豐水期轉(zhuǎn)輪，以枯水期運行條件作為設計參數(shù)、豐水期轉(zhuǎn)輪外部尺寸作為約束條件設計枯水期轉(zhuǎn)輪。豐、枯水期轉(zhuǎn)輪的水力性能最優(yōu)區(qū)與電站豐、枯水期實際運行區(qū)相吻合，以最經(jīng)濟的手段攻克徑流式水電站豐枯水期流量差別大、水輪機難以兼顧運行的技術(shù)難題，見圖9。

經(jīng)設計計算和實踐應用驗證，該項技術(shù)的主要特點為：

（1）較大的葉片包角。轉(zhuǎn)輪葉片包角與K值（枯水期平均流量/常規(guī)水輪機額定流量）負相關(guān)，轉(zhuǎn)輪上冠處葉片包角一般為70°～110°，下環(huán)處葉片包角一般為50°～80°；（2）較高的轉(zhuǎn)輪收縮率。通過改變軸面流道型線，使上冠型線與下環(huán)型線靠近，葉片出水邊與下環(huán)型線的交點向葉片進水邊方向靠近，縮短葉片出水邊長度，以提高轉(zhuǎn)輪軸面流道的收縮率；（3）較小的轉(zhuǎn)輪出口總面積。轉(zhuǎn)輪葉片出口面積與K值正相關(guān)；（4）較少的葉片數(shù)。轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)與K值有關(guān)，一般為7～11片，與常規(guī)轉(zhuǎn)輪的差值△Zr（常規(guī)轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)-本項技術(shù)的轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)）的規(guī)律見表1；（5）較小的下環(huán)處葉片出口安放角βc。下環(huán)處葉片出口安放角與K值正相關(guān)，一般為8°～15°，下環(huán)處葉片出口安放角的差值△βc（常規(guī)轉(zhuǎn)輪下環(huán)處葉片出口安放角-本項技術(shù)的轉(zhuǎn)輪下環(huán)處葉片安放角）的規(guī)律見表1。

圖9 枯水期豐水期轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)與運行特性比較

表1 豐枯水期轉(zhuǎn)輪參數(shù)差

混流式水輪機“豐枯水期雙轉(zhuǎn)輪配置”技術(shù)實現(xiàn)枯水期水輪機效率相對提高30%～80%，由于避免了轉(zhuǎn)輪大幅度偏工況運行從而極大改善了機組的水力穩(wěn)定性［10-11］。

3.5 水電站技術(shù)改造的解決方案和流程基于近30年豐富的水電站水輪機技術(shù)改造工程的實踐經(jīng)驗，針對水電站增效擴容改造工程中水輪機運行所出現(xiàn)的各種實際問題，系統(tǒng)總結(jié)歸納出水電站水輪機技術(shù)改造的解決方案和基本流程［12-13］。

水電站技術(shù)改造的六大類解決方案（見圖10），主要包括：（1）利用豐富的水資源大幅提高機組容量的解決方案：通過調(diào)整葉片、流道形狀、導葉最大開度等措施提高機組過流能力，使機組可以更充分地利用過流流量。案例：湖南水府廟電站、湖南永順縣馬鞍山水電站、湖南龍山縣灣塘水電站；（2）設計參數(shù)顯著偏離實際運行參數(shù)的解決方案：通過優(yōu)化設計水輪機水力模型，調(diào)整機組運行點使其吻合實際運行參數(shù)范圍。案例：海南儋州市南豐水電站、廣西恭城縣峻山水電站；（3）徑流式電站豐枯水期的安全可靠運行的解決方案，主要通過配置豐枯水期雙轉(zhuǎn)輪改善不同參數(shù)條件下水輪機的運行情況。案例：新疆紅山嘴三級水電站、河北邯鄲市東武仕水電站；（4）改善水輪機轉(zhuǎn)輪的空蝕性能的解決方案：利用水輪機優(yōu)化設計技術(shù)研制新型轉(zhuǎn)輪，將水輪機的性能最優(yōu)區(qū)調(diào)整到電站實際運行區(qū)，以達到改善水輪機空化性能及提高水輪機效率與出力的目的。案例：廣西蒼悟縣爽島水電站；（5）提高水輪機抗泥沙磨蝕能力的解決方案：選擇合理的工作參數(shù)，并通過轉(zhuǎn)輪的優(yōu)化設計使水流盡量以零沖角進入轉(zhuǎn)輪葉道，盡量降低葉片表面的相對流速，大大減小泥沙對轉(zhuǎn)輪過流部件的沖蝕破壞。案例：新疆紅山嘴一、二、三、四、五級水電站；（6）水輪機設備老化、運行效率水平低的解決方案：采用高水平設計的轉(zhuǎn)輪，提高機組運行效率和電站發(fā)電效益。案例：四川銀河水電站，福建華安水電站。

在水電站水輪機技術(shù)改造工程過程中，建立起了較完整、科學、高效可靠的個性化解決流程，將水電站水輪機技術(shù)改造劃分為八個基本環(huán)節(jié)，見圖11。

4 水力設計技術(shù)研究成果的應用

圖10 電站水輪機技術(shù)改造六大類解決方案

圖11 電站水輪機技術(shù)改造流程

混流式水輪機內(nèi)部流態(tài)觀測及水力穩(wěn)定性研究的成果，加深了行業(yè)對混流式水輪機水力穩(wěn)定性規(guī)律的認識，國內(nèi)首次繪制了包含各種臨界線的水輪機模型綜合特性曲線，提升了混流式水輪機的研制目標和評價標準，形成全新的水輪機特性評價體系。相關(guān)內(nèi)容納入大中型水輪機招標文件，同時也為建立混流式水輪機水力設計系統(tǒng)打下了堅實基礎(chǔ)。

自主開發(fā)的混流式水輪機水力設計軟件系統(tǒng)，具備多約束多目標優(yōu)化設計能力，可實現(xiàn)新建電站混流式水輪機“量體裁衣”式定制，滿足水電站“增效擴容”改造中因“水頭、流量、水質(zhì)、機型”等“千差萬別”而提出的“個性化”需求。累計已開發(fā)了覆蓋混流式水輪機全水頭范圍、性能優(yōu)秀的17個系列158個混流式水輪機水力模型，相關(guān)性能指標達到國際領(lǐng)先水平。

創(chuàng)建的混流式水輪機“豐枯水期雙轉(zhuǎn)輪配置”技術(shù)既可用于新建電站，也十分適于已運行水電站的技術(shù)改造，可高效利用水力資源、消除安全隱患、減少電站裝機臺數(shù)、大幅節(jié)省投資，該項技術(shù)已成功應用于新疆、河北、云南和福建等地多座水電站。同時本項技術(shù)也為水電站利用生態(tài)流量資源提供了優(yōu)選方案，有極大的推廣價值和應用市場。

研究成果已應用于國內(nèi)21個省的近200座電站以及亞、非、美、歐11個國家的18座電站，約460臺機組，年增發(fā)電量超過9億kWh；152個增效擴容改造項目全部成功，部分典型案例納入了水利部主編的《農(nóng)村水電增效擴容改造項目建設與管理》教程；國內(nèi)已有15家有規(guī)模和影響力的水輪機制造企業(yè)引用該成果，推動了行業(yè)的技術(shù)進步。

5 水力設計技術(shù)研究的方向

本文總結(jié)了中國水科院在混流式水輪機水力設計領(lǐng)域取得的初步成果，但由于混流式水輪機水力設計涉及多方面復雜因素，仍有許多關(guān)鍵科學技術(shù)問題需要深入研究并加以解決，建議未來從如下幾個方面開展研究：

（1）混流式水輪機轉(zhuǎn)輪的三維反問題設計方法。通過給定流動參數(shù)分布進行葉片的迭代設計，這些參數(shù)對轉(zhuǎn)輪的性能影響比傳統(tǒng)的幾何參數(shù)更為直接，設計變量的物理意義更加明確。因此，基于反問題設計方法的葉輪優(yōu)化技術(shù)可以顯著地減少計算量，可以更快地獲得滿意的優(yōu)化設計結(jié)果。

（2）集成水輪機水力設計全流程步驟的研究平臺。參數(shù)化建立蝸殼、導葉、轉(zhuǎn)輪、尾水管等過流部件幾何模型的方法，可以實現(xiàn)靈活高效地修改幾何模型；構(gòu)造研究平臺與CFD求解器連通的接口，通過調(diào)用求解器對研究對象進行內(nèi)部流場分析并提取分析結(jié)果，進行數(shù)據(jù)處理和分析；可以對不同方案快速進行比選、分析、判定，選擇合適的算法進行設計對象的多目標優(yōu)化；建立模型試驗及現(xiàn)場試驗結(jié)果與專家經(jīng)驗相結(jié)合的大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，搭建人工智能型設計平臺。

（3）關(guān)注水輪機在偏離最優(yōu)運行區(qū)時可能出現(xiàn)的問題。通過水力設計技術(shù)研究，最大限度地拓寬水輪機可運行范圍。