混流式水輪機(jī)改造性能優(yōu)化預(yù)測(cè)

雷 恒，劉子祺，高新江，趙 青，孫見波

（1.小流域水利河南省高校工程技術(shù)研究中心，河南開封 475004；2.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南開封 475004；3.黃河小浪底水資源投資有限公司，鄭州 450003；4.中國水利水電第五工程局有限公司，成都 610065；5.水利部農(nóng)村電氣化研究所，杭州 310032）

0 引 言

我國20世紀(jì)六七十年代修建的一大批水電站，受到當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)條件限制，加上長期運(yùn)行，水輪機(jī)部件尤其是過流部件磨損、空蝕嚴(yán)重，導(dǎo)葉漏水嚴(yán)重，水輪機(jī)的性能指標(biāo)低下。由于電站埋設(shè)部件無法更換，新型轉(zhuǎn)輪與老舊型號(hào)無法匹配，重新設(shè)計(jì)開發(fā)成本過高，電站整套過流部件更換難度較大。因此，對(duì)于此類電站，水輪機(jī)改造性能優(yōu)化預(yù)測(cè)既減少了水機(jī)模型試驗(yàn)等一系列的復(fù)雜過程［1-3］，同時(shí)又降低了改造成本，獲取良好的效果。

某水電站安裝3臺(tái)混流式水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量45 MW，水輪機(jī)額定水頭54 m，最大水頭66 m，最小水頭47 m，額定流量98 m3/s。電站投產(chǎn)運(yùn)行近40年，轉(zhuǎn)輪為吸收國外廠家技術(shù)并自行設(shè)計(jì)制造，水輪機(jī)效率設(shè)計(jì)值偏低，且電站所處河流泥沙含量較大，過流部件空蝕磨損嚴(yán)重，尤其是轉(zhuǎn)輪葉片、活動(dòng)導(dǎo)葉歷經(jīng)多次大修，但主體已嚴(yán)重變形，效率下降明顯，長期達(dá)不到設(shè)計(jì)運(yùn)行要求，機(jī)組穩(wěn)定性差，運(yùn)行維護(hù)成本高昂。

1 改造方案

1.1 轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)

通過技術(shù)可行性和可靠性分析，選擇國內(nèi)高效的二灘轉(zhuǎn)輪（以下簡(jiǎn)稱“ET 轉(zhuǎn)輪”）為基礎(chǔ)進(jìn)行改造［4］，ET 模型轉(zhuǎn)輪和本電站模型轉(zhuǎn)輪參數(shù)見表1。

表1 ET模型轉(zhuǎn)輪和本電站模型轉(zhuǎn)輪參數(shù)Tab.1 The model runner parameters of ET and this power station

1.2 比選方案

改造優(yōu)化的目的是既要水輪機(jī)在滿足適當(dāng)增容、效率適當(dāng)提高的情況下，機(jī)組能在小負(fù)荷工況長時(shí)間運(yùn)行，又必須使機(jī)組能在高水頭工況安全穩(wěn)定運(yùn)行。保持轉(zhuǎn)輪上冠最大外徑和下環(huán)最大外徑不變，不改變埋設(shè)部件，結(jié)構(gòu)工藝滿足，以此為基礎(chǔ)提出兩種改造優(yōu)化方案，改造方案2 在方案1 的基礎(chǔ)上，導(dǎo)葉分布圓直徑和導(dǎo)葉數(shù)量不變，僅對(duì)活動(dòng)導(dǎo)葉重新設(shè)計(jì)，原型機(jī)和改型機(jī)幾何參數(shù)見表2。

表2 原型機(jī)和改型機(jī)幾何參數(shù)表Tab.2 Geometric parameters of prototype and variant

新選擇的轉(zhuǎn)輪能否匹配過流部件尺寸，運(yùn)行中水流流態(tài)如何，過流部件是否還需優(yōu)化，均有必要對(duì)轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)及尾水管等部位進(jìn)行分析。

2 CFD三維仿真計(jì)算與流場(chǎng)分析

2.1 模型基本方程

混流式水輪機(jī)過流部件水力流動(dòng)特性方程（N-S方程）［5］：

式中：ρ為水體密度；ui、uj為平均速度（i、j=1，2，3）；p″為等效壓力；μe為流體黏性系數(shù)。

本計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程使N-S方程封閉［6］，其方程形式如下：

式中：取Cμ= 0.09，σk= 1.0，C1ε= 1.44，C2= 1.9；k為湍動(dòng)能；ε為耗散率［7］。

通過GMBIT和TGRID對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散，方程采用二階迎風(fēng)差分格式，采用SIMPLE算法實(shí)現(xiàn)壓力和速度計(jì)算求解［8］。

2.2 邊界條件

混流式水輪機(jī)過流通道整體模型共劃分808 733 個(gè)單元，302 146 個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)［6］，如圖1所示。設(shè)定邊界條件：采用速度進(jìn)口、自由出口、無滑移壁面邊界［9］。計(jì)算工況設(shè)置見表3。

表3 計(jì)算工況設(shè)置Tab.3 Operating condition setting

2.3 流場(chǎng)分析

為了充分對(duì)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)和尾水管改造前后進(jìn)行比較，分別對(duì)表3中各工況進(jìn)行計(jì)算，模擬了各工況的流場(chǎng)分布情況，這里僅對(duì)額定工況進(jìn)行分析。

水輪機(jī)改造前，轉(zhuǎn)輪葉片背面約1/4 區(qū)域出現(xiàn)負(fù)壓，最低壓力值為（-4.28×104～-2.87×104）Pa之間［8］，如圖2（a）所示；導(dǎo)水機(jī)構(gòu)出口切向速度：固定導(dǎo)葉為11.3～12.5 m/s、活動(dòng)導(dǎo)葉為15.7～16.8 m/s，如圖3（a）所示；尾水管進(jìn)口速度：軸向?yàn)?1.33～-0.2 m/s、圓周為-3.62～-2.56 m/s［10］，彎曲段底部有輕微回流，渦帶較粗，無負(fù)壓，如圖4（a）所示。

方案1 改造后，轉(zhuǎn)輪葉片背面仍有約1/5 區(qū)域出現(xiàn)負(fù)壓，最低壓力值為（-5.39×104～-1.02×104）Pa 之間，如圖2（b）所示；導(dǎo)水機(jī)構(gòu)出口切向速度：固定導(dǎo)葉為8.9～9.9 m/s、活動(dòng)導(dǎo)葉為15.9～16.9 m/s，如圖3（b）所示；尾水管進(jìn)口速度：軸向?yàn)?2.98～-1.78 m/s、圓周為-2.62～-1.51 m/s，如圖4（b）所示。

方案2 改造后，轉(zhuǎn)輪葉片背面負(fù)壓面減小，最低壓力值為（-4.27×104～-2.60×104）Pa 之間，如圖2（c）所示；導(dǎo)水機(jī)構(gòu)出口切向速度：固定導(dǎo)葉為9.63～11.7 m/s、活動(dòng)導(dǎo)葉為14.7～15.7 m/s，如圖3（c）所示；尾水管進(jìn)口速度：軸向?yàn)?1.69～-1.19 m/s、圓周為-1.53～-0.49 m/s，如圖4（c）所示。

計(jì)算表明，在額定工況下，方案2改造后導(dǎo)水機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)匹配度較好，水力速度沖擊有輕度減小。管內(nèi)無負(fù)壓，有反向渦帶，渦帶較細(xì)，水力性能良好。轉(zhuǎn)輪運(yùn)行狀況改善，抗空蝕性能提高。

3 改造前后水輪機(jī)性能分析

方案1 改造后，在大開度工況下，水輪機(jī)低水頭運(yùn)行，轉(zhuǎn)輪易發(fā)生空蝕，運(yùn)行狀況不利，應(yīng)避免在此范圍內(nèi)運(yùn)行；在額定工況下運(yùn)行，空蝕仍較嚴(yán)重；在小開度、小流量工況下運(yùn)行，轉(zhuǎn)輪葉片背面負(fù)壓區(qū)域雖然很少，水力速度沖擊沒有顯著差別，但水輪機(jī)效率無明顯提高，尤其是在70 m3/s 以下時(shí)，說明導(dǎo)水機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)輪匹配度不高，尾水管渦帶較嚴(yán)重；流量在95 m3/s 以上時(shí)，效率和出力雖有提高，但水輪機(jī)很少在此范圍內(nèi)運(yùn)行。

方案2改造后，在各典型工況下運(yùn)行，水輪機(jī)效率和出力均有改善，在70～90 m3/s的流量范圍內(nèi)運(yùn)行，轉(zhuǎn)輪葉片背面負(fù)壓范圍不大，效率可達(dá)91%～92.45%，效率提高明顯，出力平均提高1 000～1 400 kW，尤其是額定工況下，效率提高9.45%、出力提高1 330 kW，性能優(yōu)化明顯；超過95 m3/s 時(shí)，轉(zhuǎn)輪易發(fā)生空蝕，尾水管存在細(xì)小渦帶，但水輪機(jī)在此范圍內(nèi)運(yùn)行幾率不大；低于70 m3/s 的流量時(shí)，尾水管渦帶仍存在一定較粗的渦帶，但水輪機(jī)整體運(yùn)行狀況良好。

對(duì)比以上兩種改造方案，如表4所示，方案2（同時(shí)改造轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)水機(jī)構(gòu)）導(dǎo)水機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)輪匹配度較為理想，水輪機(jī)各部件流道水力損失較小、抗空蝕性能得到增強(qiáng)，效率和出力得以提高。額定水頭工況下計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見圖5。

表4 改造前后各工況主要性能參數(shù)對(duì)比Tab.4 Comparison of main performance parameters in different working conditions before and after modification

4 結(jié) 論

本文通過兩種水輪機(jī)流道部件改造方案，利用CFD 進(jìn)行三維仿真計(jì)算，分析了各典型工況下水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片云壓、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)及轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流道瞬時(shí)流速、尾水管流道瞬時(shí)流速，對(duì)比了水輪機(jī)效率和出力改善提高情況。結(jié)果表明，同時(shí)改造轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，改善了混流式水輪機(jī)過流部件內(nèi)部水力特性，提高了水輪機(jī)效率和抗空蝕性能，增加了出力，運(yùn)行穩(wěn)定性增強(qiáng)，降低了改造成本，為類似水輪機(jī)改造提供了一定的借鑒參考。 □