水力透平水動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)及性能預(yù)測(cè)

（西華大學(xué)，成都 610039）

0 引言

水電站技術(shù)供水系統(tǒng)主要向水電機(jī)組相關(guān)設(shè)備提供冷卻和（或）潤(rùn)滑水，其對(duì)水電機(jī)組正常運(yùn)行有著至關(guān)重要的作用。技術(shù)供水方式通常有自流供水、水泵供水、混合供水等。其中自流供水方式應(yīng)用在較高水頭電站時(shí)，需要用減壓閥進(jìn)行減壓，這必然造成能量損失，然而采用恰當(dāng)?shù)乃ν钙椒桨讣饶苓M(jìn)行能量回收，又能起到減壓的作用[1-9]。

1 工程背景

四川某水電站裝設(shè)有4臺(tái)（單機(jī)25 MW）立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組，電站設(shè)計(jì)水頭156 m，單機(jī)設(shè)計(jì)流量 16.46 m3/s，年平均發(fā)電量 3.5×109kW·h，年平均利用3 890 h。水電站技術(shù)供水情況如下：（1）取水、供水方式：壓力鋼管取水，自流減壓供水；（2）取水總管管徑：250 mm；（3）減壓閥進(jìn)口壓力：1.3～1.8 MPa之間，額定壓力為 1.5 MPa；（4）減壓閥出口壓力：0.25～0.35 MPa之間，額定壓力為0.3 MPa；（5）單機(jī)技術(shù)供水用水量300 m3/h。由此可知，減壓閥的前后壓差為1.2 MPa。

2 水力設(shè)計(jì)參數(shù)確定

結(jié)合上述工程背景，由于該電站2臺(tái)機(jī)組共用一個(gè)減壓閥，其過(guò)流量為2臺(tái)機(jī)組技術(shù)供水量之和，所以水力透平額定工況流量QTr為600 m3/h、水頭HTr為120 m。再考慮采用額定轉(zhuǎn)速為2 950 r/min的異步電機(jī)作為發(fā)電機(jī)，因此其在發(fā)電工況下的轉(zhuǎn)速n設(shè)定為3 050 r/min。至此水力透平的主要水力設(shè)計(jì)參數(shù)就已確定。

為了采用CFturbo進(jìn)行水動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，需確定對(duì)應(yīng)泵工況下的水力設(shè)計(jì)參數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)[10]可確定相同轉(zhuǎn)速下泵設(shè)計(jì)工況參數(shù)。

（1）泵揚(yáng)程HP與水力透平水頭HT之間的關(guān)系可表示為：

式中 μ——滑移系數(shù)；

ηhp——水泵水力效率；

ηht——水力透平水力效率。

（2）泵流量QP與水力透平流量QT之間的關(guān)系可表示為：

此外，文獻(xiàn)[10]列出了部分泵做水力透平的試驗(yàn)結(jié)果，見(jiàn)表1。

表1 水泵工況和水力透平工況試驗(yàn)結(jié)果[11-16]

參考表1和文獻(xiàn)[17]，初步取QP/QT=0.75、HP/HT=0.68。因此，根據(jù)水力透平的設(shè)計(jì)參數(shù)可確定泵工況下的額定流量QPr為450 m3/h、揚(yáng)程HPr為 81.6 m、轉(zhuǎn)速 nP為 3 050 r/min。

一般情況下，泵作水力透平時(shí)效率略低于泵的效率。因此，只有所設(shè)計(jì)的泵具有較高的效率，在水力透平工況才可能具有較高的效率。參照文獻(xiàn)[18]，泵的效率與比轉(zhuǎn)速相關(guān)。由泵設(shè)計(jì)參數(shù)確定泵比轉(zhuǎn)速ns為145，根據(jù)文獻(xiàn)[18]可知，其最高效率ηpmax應(yīng)不低于83.5%。

3 水力透平水動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)

利用泵反轉(zhuǎn)作水力透平的思想，首先應(yīng)對(duì)泵進(jìn)行水動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)。CFturbo是一款專業(yè)的泵設(shè)計(jì)軟件，它只需要輸入一些基本的設(shè)計(jì)參數(shù)，再進(jìn)行局部調(diào)整，就可以快速生成葉輪、蝸殼等部件的實(shí)體。

3.1 葉輪設(shè)計(jì)

在Cfturbo建模界面輸入泵額定工況的流量、揚(yáng)程和轉(zhuǎn)速，軟件即可根據(jù)強(qiáng)大的離心泵數(shù)據(jù)庫(kù)自動(dòng)生成合適的離心泵軸面投影圖，再適當(dāng)調(diào)整葉輪前、后蓋板流線，以保證過(guò)流斷面面積變化盡量平滑。同時(shí)，軟件即可自動(dòng)設(shè)計(jì)出葉片雛形，再根據(jù)實(shí)際需要對(duì)進(jìn)口邊倒圓角、調(diào)整葉片厚度，最后完成三維模型設(shè)計(jì)，葉輪水體和葉片實(shí)體分別如圖1（a）、（b）所示。葉輪的基本參數(shù)見(jiàn)表2。

圖1 葉輪水體與葉片模型

表2 葉輪參數(shù)

3.2 蝸殼設(shè)計(jì)

在CFturbo中蝸殼設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式基本一致，根據(jù)軟件提示進(jìn)行參數(shù)適當(dāng)調(diào)整，最后生成蝸殼實(shí)體，如圖2所示。該蝸殼出口直徑為150 mm。

圖2 蝸殼三維實(shí)體

3.3 尾水管設(shè)計(jì)

根據(jù)電站現(xiàn)場(chǎng)情況，水力透平擬采用管道泵結(jié)構(gòu)布置方式。對(duì)于該結(jié)構(gòu)，因其進(jìn)出口口徑相同且在同一直線上，仿似一段管道，可安裝在管道的任何位置。當(dāng)泵做水力透平時(shí)，泵的吸水室相當(dāng)于水力透平的尾水管，所以水力透平尾水管的設(shè)計(jì)相當(dāng)于泵吸水室的設(shè)計(jì)。根據(jù)工況相似的管道泵尺寸，即可設(shè)計(jì)泵吸水室，即水力透平的尾水管，其出口直徑為150 mm。

由于實(shí)際供水系統(tǒng)中取水總管直徑為250 mm，因此水力透平的進(jìn)出口段均需加入一段漸變段與管道匹配。

經(jīng)過(guò)上述設(shè)計(jì)，最后得到水力透平的全流到三維水體模型如圖3所示。

4 性能預(yù)測(cè)

將模型導(dǎo)入ANSYS CFX前處理軟件ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為1 913 781，最差網(wǎng)格質(zhì)量為0.25。數(shù)值模擬采用標(biāo)準(zhǔn)湍流模型。選擇25 ℃水為輸送介質(zhì)。

進(jìn)口邊界條件按質(zhì)量流量進(jìn)口設(shè)定，對(duì)泵工況在270～630 m3/h流量范圍內(nèi)設(shè)定5個(gè)工況計(jì)算；對(duì)水力透平工況在360～840 m3/h流量范圍內(nèi)設(shè)定5個(gè)工況計(jì)算。

出口邊界條件采用靜壓出口條件，對(duì)泵工況出口（即水力透平進(jìn)口）靜壓設(shè)定為1.5 MPa，對(duì)水力透平出口靜壓設(shè)定為0.3 MPa。

固壁條件：各固體壁面均采用無(wú)滑移壁面邊界條件，設(shè)置葉輪為轉(zhuǎn)動(dòng)部件，其轉(zhuǎn)速設(shè)定為3 050 r/min，蝸殼及尾水管為固定部件。

交界面：葉輪與蝸殼、葉輪與尾水管的交界面為動(dòng)靜交界面，采用Frozen Rotor處理，其余交界面定義為靜靜交界面。

4.1 水力透平性能預(yù)測(cè)

對(duì)泵工況，在保持出口壓力不變的情況下，取0.6QPr，0.8QPr，1.0QPr，1.2QPr，1.4QPr等 5 個(gè)計(jì)算流量工況進(jìn)行數(shù)值模擬，以預(yù)測(cè)泵的性能。預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 泵性能參數(shù)

預(yù)測(cè)結(jié)果表明，泵在額定流量處揚(yáng)程為80.93 m，僅比設(shè)計(jì)值低0.67 m，相對(duì)誤差為0.81%。在該流量下泵水力效率最高，為86.94%，再考慮容積損失效率和機(jī)械效率均為99%，則在額定流量處泵的效率ηP為85.210%，滿足設(shè)計(jì)要求。

對(duì)水力透平工況，在保持出口壓力不變的情況 下，取 0.6QTr，0.8QTr，1.0QTr，1.2QTr，1.4QTr等 5個(gè)計(jì)算流量工況進(jìn)行數(shù)值模擬，以預(yù)測(cè)水力透平的性能。預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 水力透平性能參數(shù)

預(yù)測(cè)結(jié)果表明，在額定流量下水力透平水頭為123.77 m，比設(shè)計(jì)值大3.77 m，相對(duì)誤差僅為3.14%。另一方面，若水力透平按120 m水頭工作時(shí)，其流量為589.77 m3/h，相比額定流量減少了10.23 m3/h，相對(duì)誤差僅為1.7%。水力透平的最高水力效率在0.9QTr處，為87.21%，額定流量時(shí)的水力效率為83.53%，僅比最高效率下降3.68%。再考慮容積效率和機(jī)械效率，額定流量處水力透平的效率ηT為81.86%。

4.2 節(jié)能效益分析

在額定流量工況下，采用水力透平替代減壓閥后，每臺(tái)水力透平可輸出的電功率按下式計(jì)算：

式中 P——電功率，kW；

ρ——密度，kg/m3；

ηg——發(fā)電機(jī)效率，取ηg=85%。

由式（3）計(jì)算可知，每臺(tái)水力透平可輸出電功率P為140.81 kW。

由于該電站共設(shè)有兩臺(tái)減壓閥，所以應(yīng)設(shè)兩臺(tái)水力透平。按該電站水輪發(fā)電機(jī)組年利用小時(shí)數(shù)計(jì)算，每年可產(chǎn)的電能A可按下式計(jì)算：

式中 A——電能，kW·h；

n——水力透平數(shù)；

T——年利用小時(shí)數(shù)，h。

由式（4）計(jì)算可得，每年由水力透平獲得的電能為 1 095 501.8 kW·h。

按2017年四川省水電上網(wǎng)電價(jià)對(duì)年調(diào)節(jié)水電站的上網(wǎng)電價(jià)規(guī)定，以 0.39元 /（kW·h）的電價(jià)計(jì)算，因此節(jié)能收益Y為：

由式（5）可知電站每年節(jié)能效益為可達(dá)42.72萬(wàn)元，節(jié)能效益顯著。但是，實(shí)際上由于機(jī)組運(yùn)行的需要，水力透平的年工作小時(shí)數(shù)比機(jī)組年利用小時(shí)數(shù)大。因此，其節(jié)能效益更加顯著。

5 結(jié)論

（1）利用泵反轉(zhuǎn)可作水力透平的思想，采用Cfurbo軟件首先對(duì)泵進(jìn)行水動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，額定工況揚(yáng)程與初定值誤差僅為0.82%，最高效率為85.21%，其設(shè)計(jì)結(jié)果達(dá)到了泵工況水力性能要求。

（2）相應(yīng)的水力透平在額定流量下水頭為123.77 m，與設(shè)計(jì)值誤差僅為3.17%，且能滿足供水系統(tǒng)減壓要求。相比泵工況而言，水力透平的效率有所下降，但總體效率較高，額定流量時(shí)效率為81.86%

（3）利用水力透平代替減壓閥可獲得顯著的節(jié)能效益，該技術(shù)可在同類(lèi)型水電站技術(shù)供水系統(tǒng)中推廣應(yīng)用。