HL741水輪機(jī)增容改造及數(shù)值模擬研究

田亞平 白萬軍 王雨云

摘 要：根據(jù)古浪堤電站HL741水輪機(jī)增容改造的需求，對諸多較優(yōu)模型轉(zhuǎn)輪的分析對比后，擬定選用HLA232葉片并稍加改型，同時(shí)為增大過流能力解決汛期轉(zhuǎn)輪流道易堵塞的問題，最終決定采用在此基礎(chǔ)上減少一個(gè)葉片后制造新轉(zhuǎn)輪的方案對原水輪機(jī)進(jìn)行改造。借助數(shù)值試驗(yàn)平臺(tái)對改造前后的水輪機(jī)進(jìn)行全流道三維流場數(shù)值計(jì)算及性能預(yù)測，分析計(jì)算結(jié)果并給出了水輪機(jī)改造前后的水動(dòng)力學(xué)特性差異。改造后水輪機(jī)蝸殼及導(dǎo)水部件內(nèi)流動(dòng)與改造前差異很小，水力性能沒有下降;轉(zhuǎn)輪葉片中水流的流態(tài)分布合理，空蝕性能提升;尾水管中水流平穩(wěn)順暢。在以后的改造工程中可用HLA232轉(zhuǎn)輪經(jīng)適當(dāng)修型以匹配原轉(zhuǎn)輪室結(jié)構(gòu)后替代HL741轉(zhuǎn)輪。

關(guān)鍵詞：水輪機(jī);轉(zhuǎn)輪改型;葉片數(shù);數(shù)值試驗(yàn);性能預(yù)測

中圖分類號(hào)：TK730.3 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.07.024

Abstract：According to the capacity-increasing and transformation needs of HL741 turbine of Gulangdi Power Station and after the analysis and comparison of many excellent model runners， the slightly modified HLA232 blade was selected， at the same time it increased the flow capacity to solve the problem of runner was easily to be blocked in flood season， ultimately decided to use this scheme and reduced a blade to manufacture new turbine runner to achieve capacity-increasing. By means of numerical simulation to calculate three-dimensional flow field of the whole hydraulic turbine before and after the modification and predict performance. The results of the calculation were analyzed and the difference of hydrodynamic characteristics of the water turbine before and after reform was given. The flow distribution of the overflow parts of the water turbine before and after the transformation was analyzed and compared. The overall hydraulic performance of the reformed turbine was predicted.

Key words： hydroturbine; runner modification; blade number; numerical simulation; performance prediction

對已建年限久遠(yuǎn)、運(yùn)行條件惡化的電站水輪機(jī)進(jìn)行設(shè)備技術(shù)改造，投資少、成本回收快、經(jīng)濟(jì)效益高，現(xiàn)實(shí)意義重大[1]。青海古浪堤水電站位于同仁縣隆務(wù)河下游，采用徑流引水方式，電站設(shè)計(jì)水頭45 m，據(jù)統(tǒng)計(jì)，多年來隆務(wù)河的平均流量為18.14 m3/s，而電站引水過渠能力為10 m3/s，多出的流量沒有做功發(fā)電而是直接排泄至下游，造成水能資源浪費(fèi)。該電站安裝4臺(tái)臥式水輪發(fā)電機(jī)組，其中一臺(tái)型號(hào)為HL741-WJ-84（以下簡寫為HL741）的水輪機(jī)額定出力為1 200 kW，而發(fā)電機(jī)額定出力為1 400 kW，因此機(jī)組具有很大的增容潛力。由于隆務(wù)河含沙量較大且雜質(zhì)較多，因此汛期經(jīng)常發(fā)生轉(zhuǎn)輪流道堵塞而被迫停機(jī)疏淘的問題，頻繁地啟停會(huì)嚴(yán)重影響機(jī)組的使用壽命，降低電站效益。借助于引水渠擴(kuò)容整修工程對該臺(tái)水輪機(jī)進(jìn)行改造，業(yè)主要求以不改變埋入部件為前提，以較小代價(jià)提高水輪機(jī)的水力性能，增加機(jī)組出力，改善機(jī)組的防堵塞性能。

工程中常通過增大機(jī)組過流量、效率及提升電站運(yùn)行水頭等途徑實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容。電站長時(shí)間運(yùn)行后實(shí)際水頭已經(jīng)降低，增加出力只能依靠增大引用流量以及提高水輪機(jī)效率，當(dāng)然也可采取水工作業(yè)疏通尾水渠道，恢復(fù)電站的設(shè)計(jì)水頭，但此舉往往會(huì)增加投資，對小型電站而言經(jīng)濟(jì)性欠佳。一直以來，中小型水電站水輪機(jī)更換的新轉(zhuǎn)輪都是借用大型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行相似換算得到的。受機(jī)組尺寸的限制，經(jīng)相似換算后得到的小型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪流道狹窄，加工困難，直接套用可能造成機(jī)組的水力性能下降，無法適應(yīng)電站改造的要求[2]。近年來，隨著CFD技術(shù)的廣泛應(yīng)用，采用數(shù)值模擬的方法研究水輪機(jī)性能及增容改造逐漸成為主流[3-4]。筆者根據(jù)古浪堤水電站的具體問題選擇改造優(yōu)化方案，結(jié)合CFD數(shù)值試驗(yàn)，分析改型轉(zhuǎn)輪與通流部件的流動(dòng)匹配關(guān)系及各項(xiàng)性能參數(shù)是否滿足電站的增容改造要求，為水輪機(jī)成功改造提供了依據(jù)。

1 增容改造方案

更換轉(zhuǎn)輪是水輪機(jī)改造的主要方法之一，其關(guān)鍵在于選取滿足需求的優(yōu)秀轉(zhuǎn)輪，保證電站的經(jīng)濟(jì)效益和安全運(yùn)行;目標(biāo)轉(zhuǎn)輪過流通道的幾何尺寸應(yīng)與原機(jī)組轉(zhuǎn)輪室的尺寸保持一致，以不改變原水工建筑物，降低改造成本。對小電站而言，能夠直接套用的轉(zhuǎn)輪不多，這就需進(jìn)一步對轉(zhuǎn)輪采取適當(dāng)改型措施，改型后的轉(zhuǎn)輪不僅要保持自身優(yōu)良的水力性能，而且要考慮原有部件對其性能的影響。因此，改型轉(zhuǎn)輪的研制比新轉(zhuǎn)輪的研發(fā)難度大[5]。

2 新舊轉(zhuǎn)輪的性能比較

2.1 轉(zhuǎn)輪參數(shù)與出力的比較

對已有幾何參數(shù)相近的轉(zhuǎn)輪分析比較后，初步選擇HLA232轉(zhuǎn)輪葉片。表1列出了HLA232轉(zhuǎn)輪和HL741轉(zhuǎn)輪的基本參數(shù)。

兩種轉(zhuǎn)輪的導(dǎo)葉相對高度都為0.2，這就為在不改變轉(zhuǎn)輪室結(jié)構(gòu)的前提下僅通過更換轉(zhuǎn)輪增容提供了可能性，并且兩者的轉(zhuǎn)速基本一致，HLA232的限制工況流量為1.04 m3/s，比HL741的增加了約11%。因此，更換HLA232轉(zhuǎn)輪葉片后增容10%是有保障的。

2.2 空化性能的比較

在水輪機(jī)中，空化系數(shù)σ受比轉(zhuǎn)速ns的直接影響，即隨著比轉(zhuǎn)速ns的升高而增大。由表1數(shù)據(jù)可見，HLA232轉(zhuǎn)輪的優(yōu)點(diǎn)顯而易見。就過流能力而言，新轉(zhuǎn)輪HLA232遠(yuǎn)高于HL741轉(zhuǎn)輪，但空化系數(shù)σ僅為0.08，顯然低于HL741的0.1?？梢?，更換轉(zhuǎn)輪葉片后在達(dá)到增容的同時(shí)還能提高原機(jī)組的空化性能。

3 轉(zhuǎn)輪改型分析

3.1 改型措施

圖1為HLA232轉(zhuǎn)輪（虛線）和HL741轉(zhuǎn)輪（實(shí)線）流道對比圖。由圖1可知，HLA232下環(huán)錐角比HL741的大，這將導(dǎo)致下環(huán)外部尺寸增大，而下環(huán)外部尺寸的增大勢必導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪室前后蓋板及尾水管需改造或更新，大大增加了機(jī)組改造的成本和難度，顯然違背了僅通過更換轉(zhuǎn)輪達(dá)到增容改造的初衷;HLA232的上冠形線較HL741的高出許多，致使上冠厚度減小;HLA232出水邊半徑較小，使得原泄水孔開在新轉(zhuǎn)輪的葉片流道中，這將嚴(yán)重破壞流道內(nèi)的水流流態(tài)。

綜上所述，新舊轉(zhuǎn)輪的流道不完全相同，為適應(yīng)原轉(zhuǎn)輪室尺寸，防止破壞目標(biāo)轉(zhuǎn)輪的水力性能，新轉(zhuǎn)輪采用HLA232葉片時(shí)需稍加修形，具體改形措施如下：①適當(dāng)修改下環(huán)錐角，葉片下環(huán)錐角的減小會(huì)導(dǎo)致過流能力降低。因此，必須盡量少改下環(huán)錐角，同時(shí)可減少葉片數(shù)以使過流能力提高達(dá)到彌補(bǔ)的效果，更重要的是還能提高汛期防堵塞性能。②修整新轉(zhuǎn)輪HLA232的上冠側(cè)，最簡單可行的方法是把原來的凹面修整為平面，以增加上冠厚度，滿足強(qiáng)度要求。③取消原機(jī)組的泄水孔，頂蓋減壓問題通過水輪機(jī)頂蓋來解決。

總之，對HLA232轉(zhuǎn)輪適當(dāng)改形以適應(yīng)HL741水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪室，葉片數(shù)從14片減少為13片以提高過流能力，同時(shí)解決轉(zhuǎn)輪在汛期常易堵塞的問題。轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)的改變對轉(zhuǎn)輪的水力性能和強(qiáng)度均有顯著影響[6]，由于HLA232轉(zhuǎn)輪應(yīng)用水頭達(dá)到了120 m，對于古浪堤電站的45 m水頭，減少一個(gè)葉片后轉(zhuǎn)輪強(qiáng)度顯然還是綽綽有余的。

3.2 導(dǎo)葉開度比較

對原水輪機(jī)可由式（1）求出導(dǎo)葉開度的最大值為110.6 mm，而更換HLA232轉(zhuǎn)輪后要求導(dǎo)葉開度最大值為106.86 mm，可見原導(dǎo)水機(jī)構(gòu)滿足更換新轉(zhuǎn)輪后的開度要求，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)無須為增大最大開度而改造。

通過以上分析可知，HLA232轉(zhuǎn)輪基本滿足電站的改造設(shè)計(jì)要求。為了驗(yàn)證經(jīng)過一定改形后的HLA232轉(zhuǎn)輪能否達(dá)到預(yù)期的效果，水流流態(tài)是否均勻合理，通過CFD進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。

4 數(shù)值模擬計(jì)算

4.1 計(jì)算對象

為得出水輪機(jī)改造前后的水力性能及流態(tài)分布，根據(jù)原水輪機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況及綜合特性曲線選取表2典型工況。

4.5 數(shù)值模擬

采用ANSYS-Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，運(yùn)用更易收斂的SIMPLEC算法求解湍流流場的壓力速度耦合方程。計(jì)算中壓力項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)為中心差分格式，速度項(xiàng)采取二階迎風(fēng)格式，殘差設(shè)定為1×10-4，計(jì)算過程中通過監(jiān)測殘差值是否達(dá)到1×10-5和監(jiān)控進(jìn)出口壓差是否平衡穩(wěn)定來判斷其收斂性。水輪機(jī)蝸殼進(jìn)口邊界設(shè)置為velocity-inlet，尾水管出口邊界設(shè)置為outflow。固壁處設(shè)為流體無滑移和無滲透邊界條件，近壁區(qū)流動(dòng)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理[10-11]。

5 結(jié)果分析

5.1 水輪機(jī)效率與出力比較

改造前后機(jī)組效率和出力隨導(dǎo)葉開度變化的規(guī)律如圖3所示。

由圖3可知，當(dāng)導(dǎo)葉開度為39.8 mm時(shí)即小流量工況下，改造后的水輪機(jī)效率與出力均低于改造前的，效率較之前下降了1.67%，機(jī)組出力減少了59.28 kW，能量特性欠佳;當(dāng)導(dǎo)葉開度增大到81 mm時(shí)，機(jī)組在原設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行，改造后的效率增加了1.36%，功率比原來增加了121 kW，機(jī)組增容幅度接近10%;隨著導(dǎo)葉開度的繼續(xù)增大，改造后水輪機(jī)的效率和出力均得到大幅度提升，當(dāng)導(dǎo)葉開度約為90 mm時(shí)，效率達(dá)到峰值，此后水輪機(jī)的效率不再增大，呈下降趨勢，但仍高于改造前的效率，機(jī)組出力則一直增加。

總體來看，改造后水輪機(jī)效率明顯增大，在大流量工況下，效率曲線基本包絡(luò)改造前的效率以上區(qū)域，說明改造后機(jī)組運(yùn)行的高效率區(qū)拓寬，運(yùn)行條件得到改善。據(jù)此可以推斷，原水輪機(jī)增容改造后最優(yōu)工況點(diǎn)向大流量區(qū)偏移，機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)偏向大流量區(qū)。

5.2 流態(tài)比較

這里僅列出兩種轉(zhuǎn)輪最優(yōu)工況下的流場模擬結(jié)果。

改造前后蝸殼及導(dǎo)水部件內(nèi)的壓力分布如圖4所示。由圖4可知，該部件改造前后壓力梯度分布基本沒有變化，改造后只是壓力值減小;改造后蝸殼中水流流動(dòng)均勻合理，不存在明顯撞擊、壓力突變等不穩(wěn)定現(xiàn)象，說明改形轉(zhuǎn)輪與該部件匹配性良好，改造對原蝸殼的流動(dòng)狀態(tài)幾乎沒有影響。

由圖5可以看出，改造后葉片正面的速度分布有序，顯然好于改造前。改造前葉片工作面進(jìn)口段有很明顯的回流，整個(gè)葉片表面流動(dòng)紊亂，改造后進(jìn)口區(qū)域的流動(dòng)得到改善，整個(gè)葉片正面流動(dòng)有序，狀況良好，葉片流道間不存在脫流、回流等二次流動(dòng)現(xiàn)象。

由圖6可知，改造前后轉(zhuǎn)輪葉片背面的壓力分布差異明顯。葉片背面壓強(qiáng)從進(jìn)口邊到出口邊逐漸減小，葉片背面壓力總體分布均勻，具有良好的壓力梯度。通常，轉(zhuǎn)輪中的低壓區(qū)集中分布在葉片的出水邊，改造后葉片背面的壓力回升，負(fù)壓減小，且整個(gè)背面低壓區(qū)的面積也在縮小，整體壓力分布較改造前優(yōu)良，說明改造后轉(zhuǎn)輪的性能提升。

比較分析改造前后尾水管的流線分布（見圖7）可知，改造后尾水管的流動(dòng)狀況較改造前好。改造前直錐段部分存在輕微渦帶，改造后直錐段的渦帶明顯減弱，流動(dòng)狀況良好，在擴(kuò)散段整體流線順暢，流動(dòng)性能優(yōu)于改造前?？梢姡D(zhuǎn)輪改造后與原尾水管的匹配性能更佳。

6 結(jié) 語

對于HL741系列轉(zhuǎn)輪而言，HLA232轉(zhuǎn)輪與其互換性良好且水力性能更優(yōu)。在以后的改造工程中可用HLA232轉(zhuǎn)輪經(jīng)適當(dāng)修型以匹配原轉(zhuǎn)輪室結(jié)構(gòu)后替代HL741轉(zhuǎn)輪。改造后水輪機(jī)效率達(dá)到90%，高效區(qū)拓寬，機(jī)組增容可超過10%，機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)偏向大流量區(qū)。改造后水輪機(jī)蝸殼及導(dǎo)水部件內(nèi)流動(dòng)與改造前差異很小，水力性能沒有下降;轉(zhuǎn)輪葉片中水流的流態(tài)分布合理，性能提升;尾水管中水流平穩(wěn)順暢。對中小型電站水輪機(jī)的改造，完全可通過CFD技術(shù)對改造結(jié)果進(jìn)行預(yù)估及驗(yàn)證，流場分析滿足要求即可付諸實(shí)踐。

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【責(zé)任編輯 張華巖】