某水電站混流式機組尾水管當量錐角優(yōu)化研究

彭明瓊

（伊寧市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，新疆 伊寧 835000）

水輪機是水電站的核心設備，其效率的提升對電站而言具有重要的工程和經(jīng)濟價值。目前，關于水輪機的研究主要集中于葉片數(shù)量和翼型，但是水輪機作為一個整體，尾水管的內(nèi)部流動穩(wěn)定性也是影響水輪機效率和性能的重要因素[1]。擴散度、相對管長以及當量錐角是混流式水輪機尾水管的主要特征參數(shù)[2]。其不同取值會對尾水管內(nèi)的水力特征產(chǎn)生顯著影響。對彎肘型尾水管而言，其當量錐角一般較大，并造成直錐段出口和進入彎肘段的流速降低[3]。尾水管中的水流受到水輪機轉輪的影響，大多呈螺旋形運動，由于離心力的作用往往會形成渦流滯水區(qū)[4]。水電站尾水管的性能主要用恢復系數(shù)衡量，恢復系數(shù)越高說明尾水管的性能越好[5]。由于彎肘型尾水管造型復雜，其水力損失比較嚴重。因此，通過尾水管結構優(yōu)化提高尾水管性能，改善機組運行的穩(wěn)定性具有重要意義。

1 工程概況

某水電站是一座以發(fā)電為主，兼具防洪、灌溉等功能的小型徑流式水電站，裝機總容量為22400 kW，設計庫容1800萬m3。工程的設計洪水標準為百年一遇，校核洪水標準為千年一遇。水電站采用的混流式水輪機組，其基本參數(shù)如下：固定導葉和活動導葉分別為23個，長葉片和短葉片均為15個，共30個葉片。水輪機的吸出高度為-8.35 m，額定流量為1.55 m3/s，轉輪機直徑為0.70 m。此外，水輪機尾水管還有兩個支墩。水輪機組的蝸殼與轉輪結構圖見圖1和圖2。

圖1水輪機組的蝸殼結構圖

圖2水輪機組轉輪結構圖

2 水輪機三維有限元計算模型

2.1 模型的建立與網(wǎng)格劃分

UG是一款在工程設計研究領域十分常用的計算機軟件，具有十分強大的建模功能，可以輕松實現(xiàn)對各種復雜工程實體的架構。同時，該軟件屬于半?yún)?shù)化建模軟件，十分方便模型的修改?；赨G軟件比較自由的建模思路以及參數(shù)修改較為靈活的優(yōu)勢，本文采用UG軟件對水輪機的過流部件進行三維模型構建，并導入ICEM-CFD軟件進行網(wǎng)格劃分。最終獲得512713個網(wǎng)格單元，349243個計算節(jié)點。其中，尾水管部分的網(wǎng)格劃分示意圖見圖3。

圖3 尾水管網(wǎng)格剖分示意圖

為了檢驗網(wǎng)格劃分數(shù)量的合理性，盡量減小網(wǎng)格劃分數(shù)量對計算結果的影響，研究中對尾水管模型進行了網(wǎng)格無關性檢驗，驗證曲線見圖4。由圖可知，當模型的網(wǎng)格數(shù)量達到510萬以上時，機組的效率不會隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加而明顯變化。因此，本文研究中的網(wǎng)格劃分數(shù)量是合理的。

圖4 網(wǎng)格無關性驗證曲線

2.2 邊界條件

在利用數(shù)值計算模型進行求解計算和處理之前，需要設置研究對象的邊界條件，其實質(zhì)就是指定區(qū)域邊界上的未知數(shù)。其中，模型的進口邊界條件通過水輪機的進口邊界的質(zhì)量流量確定，并給出定速度值[6]。其中，流速方向為和進口斷面垂直的方向，流量的大小通過各工況的流量值確定。由于尾水管的出口經(jīng)常存在回流現(xiàn)象，因此將出口邊界條件設置為壓力邊界[7]。模型的壁面邊界條件設定為固體光滑壁面條件，近壁面部位的流體流速為0。

2.3 計算工況

本次研究在最優(yōu)工況下進行不同當量錐角下尾水管的內(nèi)部流場模擬計算，并利用CFD-POST軟件中對計算完成后的模型進行后處理，進而獲得尾水管內(nèi)部的速度、壓力和流線云圖。其中，小流量工況的相對導葉開度為77.2%，單位流量為1200 L/s。尾水管的當量錐角表示的是與彎肘形尾水管具有相同出口斷面和長度情況下直錐管的錐角。顯然，在管長一定的情況下，必定存在一個與之對應的最優(yōu)錐角。

通過查閱混流式水電機組尾水管當量錐角的相關研究文獻，其推薦值一般為14°～18°[7]。因此，本次研究中設計了14°、16°和18°三個大小不等的當量錐角值進行數(shù)值模擬研究，以獲取最佳推薦值，進而有效提升水電站機組的效率及電站本身的經(jīng)濟性。

3 計算結果與分析

3.1 尾水管流場分布分析

3.1.1 尾水管壓力分布分析

利用構建的模型對不同尾水管當量錐角下尾水管壓力分布進行分析計算，獲得如圖5～圖7所示的尾水管壓力分布云圖。由圖可知，在最優(yōu)工況下，尾水管當量錐角為14°、16°和18°時，尾水管內(nèi)部的壓力分布從整體上看呈現(xiàn)出比較均勻的狀態(tài)。具體而言，當高速水流從機組的轉輪出口進入尾水管入口時，水流的壓力較小，隨著尾水管截面面積的自上而下不斷增大，水流的壓力也呈現(xiàn)出逐漸增大的態(tài)勢。同橫截面的不同部位來看，直錐段呈現(xiàn)出從內(nèi)向外逐漸增大的趨勢。在尾水管的的肘管部位，受到紊動作用的影響，壓力分布并不均勻，特別是當量錐角14°和18°時該部位的壓力分布不均現(xiàn)象更為明顯，存在局部的高壓區(qū)，當當量錐角為16°不存在比較明顯的局部高壓問題。

圖5 當量錐角14°時尾水管壓力分布

圖6 當量錐角16°時尾水管壓力分布

圖7 當量錐角18°時尾水管壓力分布

3.1.2 尾水管流速分布

利用構建的模型對不同尾水管當量錐角下尾水管流速分布進行分析計算，獲得如圖8～圖10所示的尾水管流速分布云圖。由圖可知，高速水流由水輪機的轉輪進入尾水管進口時，中心部位的流速最大，隨著水流向下運動尾水管的進口半徑逐漸增大，因此水流的流速也呈現(xiàn)出逐漸下降的態(tài)勢。從整個縱截面的流速分布來看，呈現(xiàn)出比較明顯的對稱性特點。從不同當量錐角的流速對比來看，隨著當量錐角的增加，尾水管彎肘段的流速呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢，同時，該段中心兩側存在的高流速區(qū)域也在不斷減小。當量錐角為16°時，該部位的高流速區(qū)域最小，說明水體的流動趨于穩(wěn)定，雖然存在局部渦帶，但由于體量較小，不會對整個尾水管的性能造成顯著的不利影響。

圖8 當量錐角14°時尾水管流速分布

圖9 當量錐角16°時尾水管流速分布

圖10 當量錐角18°時尾水管流速分布

3.1.3 尾水管流線分布

利用構建的模型對不同尾水管當量錐角下尾水管流線分布進行分析計算，獲得如圖11～圖13所示的尾水管流線分布云圖。由圖可知，在不同當量錐角條件下，尾水管直錐段的水流流線以曲線為主。就其原因，主要是高速水流經(jīng)過水輪機轉輪進入尾水管進口后，仍然具有較大的流速，同時受到轉輪旋轉的作用，流態(tài)比較紊亂。當水流經(jīng)過直追段達到彎肘段時，流線變?yōu)橐员容^平滑的直線為主，雖然部分流線仍比較雜亂，但是整體上看比較順暢。對不同當量錐角方案的比較可知，當量錐角為16°時，尾水管的流線最為平順。

圖11 當量錐角14°時尾水管流線分布

圖12 當量錐角16°時尾水管流線分布

圖13 當量錐角18°時尾水管流線分布

3.2 尾水管恢復系數(shù)對比分析

在混臨式水輪機組工作過程中，尾水管可以起到良好的能量回收作用，從而降低水輪機的能量消耗。由此可見，尾水管的恢復系數(shù)可以反映水輪機的性能。從上節(jié)的模擬結果及分析可知，當量錐角為16°時，機組尾水管內(nèi)部流態(tài)最佳。為了進一步驗證上述結論，說明當量錐角的推薦值為16°最為合適，研究中對尾水管全流道進行整體計算。并根據(jù)計算結果獲取不同當量錐角下的尾水管恢復系數(shù)，結果如表1所示。由計算結果可知，尾水管當量錐角為14°、16°和18°三種不同方案相比，當量錐角為16°時尾水管的恢復系數(shù)最大，回收能量損失最高。與14°當量錐角相比，提高了1.14%，與18°當量錐角相比，提高了3.43%。由此可見，當量錐角為16°時，水輪機的效率最高。綜合上述，某水電站尾水管的當量錐角推薦值為16°。

表1 尾水管恢復系數(shù)計算結果

4 結論

本文以某水電站混流式機組為例，利用數(shù)值模擬的方法對不同當量錐角下的尾水管水力特征進行模擬分析，并獲得如下主要結論：

（1）受到水流紊動作用的影響，尾水管的的肘管部位壓力分布不均，存在局部的高壓區(qū)，但當量錐角為16°沒有明顯的局部高壓問題。

（2）尾水管彎肘段中心兩側存在的高流速區(qū)域。當量錐角為16°時，該部位的高流速區(qū)域最小。

（3）對不同當量錐角方案的尾水管流線形態(tài)進行比較可知，當量錐角為16°時，尾水管的流線最為平順。

（4）尾水管當量錐角為14°、16°和18°三種不同方案相比，當量錐角為16°時尾水管的恢復系數(shù)最大，回收能量損失最高。

（5）綜合計算結果，某水電站尾水管的當量錐角推薦值為16°。