基于CFD的混流式水輪機(jī)內(nèi)部流道優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

楊 峰，王 旭

（電子科技大學(xué)成都學(xué)院，成都 611731）

0 引言

對(duì)于水電站來(lái)說(shuō)，若機(jī)組的過(guò)流部件設(shè)計(jì)不當(dāng)，容易導(dǎo)致運(yùn)行時(shí)內(nèi)部流場(chǎng)出現(xiàn)水力特性不佳的情況，其結(jié)果是直接造成過(guò)流部件的破壞失效，同時(shí)影響發(fā)電的效率，繼而導(dǎo)致電站的經(jīng)濟(jì)效益下降。所以，對(duì)水輪機(jī)過(guò)流部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善內(nèi)部流場(chǎng)的水力特性、提升機(jī)組的發(fā)電效率，對(duì)于減輕過(guò)流部件的破壞程度、提升機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性以及提高電站的經(jīng)濟(jì)效益都具有良好的價(jià)值。

在水輪機(jī)的優(yōu)化改進(jìn)方面，國(guó)內(nèi)各高校和企業(yè)都做了許多嘗試。例如：文獻(xiàn)[1]將水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片的弧線作為研究對(duì)象，探究了轉(zhuǎn)輪葉片弧線的類型與氣蝕性能之間的關(guān)系，并將其作為葉片翼型優(yōu)化的依據(jù)；文獻(xiàn)[2]通過(guò)模型試驗(yàn)研究尾水管渦帶產(chǎn)生的原因，為尾水管的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供借鑒依據(jù)。

綜合上述研究可以發(fā)現(xiàn)，在水輪機(jī)的優(yōu)化改造中，主要結(jié)合電站的水紋特征，對(duì)機(jī)組的主要過(guò)流部件（如轉(zhuǎn)輪葉片、尾水管等）進(jìn)行修型，達(dá)到改善水力性能的情況較多。在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，對(duì)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)的情況較少。但實(shí)際上，水輪機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的流態(tài)通常情況下比較復(fù)雜，能夠影響流場(chǎng)性能的因素較多。其中，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)作為調(diào)節(jié)流場(chǎng)的核心部件，對(duì)流態(tài)、部件失效程度、機(jī)組效率、出力等方面的影響也較大[3]。因此，本文針對(duì)某電站的水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化改造時(shí)，擬對(duì)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)和尾水管進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到降低零部件破壞失效程度，提升效率的目標(biāo)。

1 項(xiàng)目概況

以某水電站混流式水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組為例，該機(jī)組的轉(zhuǎn)輪直徑為1 m，活動(dòng)導(dǎo)葉數(shù)量為16個(gè)，額定水頭為145 m，額定流量為Q=2.615 m3/s。自2017年投入運(yùn)行以來(lái)，始終存在流態(tài)不佳、機(jī)組噪音較大、振動(dòng)頻繁、發(fā)電效率未達(dá)到預(yù)期值等問(wèn)題。在對(duì)機(jī)組進(jìn)行例行檢修時(shí)，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪葉片的頭部存在破壞嚴(yán)重的問(wèn)題。在機(jī)組運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)輪區(qū)域的流場(chǎng)存在不順暢的問(wèn)題，在葉片頭部區(qū)域出現(xiàn)回流、旋渦以及氣蝕等情況的概率較大。同時(shí)，由于尾水管內(nèi)部流場(chǎng)存在壓力脈動(dòng)、渦帶等情況，導(dǎo)致機(jī)組的振動(dòng)頻繁，且產(chǎn)生了較大的噪音。

2 優(yōu)化改進(jìn)措施的提出

根據(jù)水輪發(fā)電機(jī)組內(nèi)部流場(chǎng)的運(yùn)行規(guī)律可知，轉(zhuǎn)輪葉片的頭部區(qū)域出現(xiàn)失效破壞，主要是由于導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的出流端的水流流態(tài)不佳，繼而當(dāng)水流從導(dǎo)水機(jī)構(gòu)進(jìn)入轉(zhuǎn)輪時(shí)，出現(xiàn)了速度壓力的軸向分布規(guī)律不佳、旋渦、回流等問(wèn)題，造成了葉片頭部的失效破壞[4]。因此，根據(jù)電站的水頭、流量、機(jī)組的出力等參數(shù)特征可以判斷，該機(jī)組的活動(dòng)導(dǎo)葉葉片數(shù)量設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的出流流態(tài)不順暢。同時(shí)，尾水管的流態(tài)也對(duì)整個(gè)機(jī)組的效率、出力等造成了一定的影響[5]。因此，提出的優(yōu)化措施為：根據(jù)機(jī)組轉(zhuǎn)輪的尺寸、出力、電站水頭等參數(shù)與活動(dòng)導(dǎo)葉數(shù)量的關(guān)系，將導(dǎo)葉數(shù)量由原來(lái)的16個(gè)增加到20個(gè)。同時(shí)，將原尾水管進(jìn)行更換，采用基于新工藝和新材料的尾水管。

3 CFD數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

為驗(yàn)證改進(jìn)后的效果，對(duì)改進(jìn)前后的機(jī)組模型進(jìn)行CFD數(shù)值計(jì)算，預(yù)判其水力性能。

3.1 前處理操作

在前處理操作中，主要從幾個(gè)步驟進(jìn)行：

1）三維模型的建立。根據(jù)機(jī)組過(guò)流部件的設(shè)計(jì)尺寸和結(jié)構(gòu)，分別構(gòu)建改造前后的三維流場(chǎng)模型。

2）湍流模型的確定。在該環(huán)節(jié)中，由于機(jī)組的內(nèi)部流場(chǎng)具有不可壓縮粘性的屬性，且機(jī)組內(nèi)部流場(chǎng)以彎曲流動(dòng)的情況較多，故在數(shù)值計(jì)算中，擬選擇RNG k-ε模型為湍流模型。

3）邊界條件設(shè)置。對(duì)于水輪發(fā)電機(jī)組的全流道而言，邊界條件設(shè)置方式為：將蝸殼進(jìn)口截面設(shè)置為質(zhì)量進(jìn)口邊界條件，尾水管出口端設(shè)置為自由出流邊界條件。

3.2 計(jì)算結(jié)果后處理

以額定工況為計(jì)算工況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如下所示。

1）流場(chǎng)速度分析

從圖1-4所示的改造前后的流速分布情況來(lái)看，改造前的機(jī)組內(nèi)部流態(tài)情況不佳，水流從蝸殼流入，至導(dǎo)水機(jī)構(gòu)時(shí)，出現(xiàn)了流線不暢的情況，尤其是在導(dǎo)水機(jī)構(gòu)出流端，其流態(tài)雖然能夠基本保持環(huán)向?qū)ΨQ，但從蝸殼至導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的流場(chǎng)速度差較小，該現(xiàn)象表明能量的轉(zhuǎn)化率偏低，由此也影響了機(jī)組的發(fā)電效率。同時(shí)，當(dāng)水流流至轉(zhuǎn)輪葉片頭部附近，出現(xiàn)了明顯的回流和旋渦現(xiàn)象，這就是造成葉片頭部區(qū)域破壞的主要原因，同時(shí)也導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)一步惡化，影響了機(jī)組的出力。而改造后的機(jī)組流場(chǎng)情況來(lái)看，水流的順暢性較之前者有了顯著的提升，在活動(dòng)導(dǎo)葉的出水端，水流速度的環(huán)向均勻分布程度較之改造前更佳，水流從蝸殼到導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，其流場(chǎng)的速度差較之改造前有了明顯增加，說(shuō)明導(dǎo)葉數(shù)量增加后，機(jī)組的能量轉(zhuǎn)換效率也得到了較大的改善。同時(shí)，在轉(zhuǎn)輪葉片的頭部區(qū)域，旋渦和回流現(xiàn)象基本消失，表明流場(chǎng)的速度分布情況得到了較大的改善。

圖1 轉(zhuǎn)輪區(qū)域流線分布（改造前）

2）流場(chǎng)壓力分析

由圖5所示改造前的流場(chǎng)壓力分布情況來(lái)看，沿蝸殼進(jìn)口至轉(zhuǎn)輪出口，水壓呈逐漸減小的趨勢(shì)，基本符合水輪機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的水壓分布規(guī)律。但是，水流自進(jìn)入蝸殼環(huán)段以來(lái)，至固定導(dǎo)葉、活動(dòng)導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪等過(guò)流部件時(shí)，過(guò)流部件的壓差較大，導(dǎo)致能量損失較高，流態(tài)比較復(fù)雜。

圖2 轉(zhuǎn)輪區(qū)域流線分布（改造后）

圖3 全流道流速分布（改造前）

圖4 全流道流速分布（改造后）

圖5 流場(chǎng)壓力分布（改造前）

與此同時(shí)，由圖6所示的改造后的流場(chǎng)壓力情況來(lái)看，其梯度分布的規(guī)律比較明顯，流場(chǎng)的壓差較小，且環(huán)向分布均勻。且轉(zhuǎn)輪區(qū)域沒(méi)有負(fù)壓，因此主要過(guò)流部件發(fā)生氣蝕的可能性較小。即增加導(dǎo)葉數(shù)量后，機(jī)組的抗氣蝕性，有了明顯的提升。

圖6 流場(chǎng)壓力分布（改造后）

3）尾水管流態(tài)分析

改造前后的尾水管內(nèi)部流態(tài)情況如圖7和8所示。對(duì)比改造前后的尾水管流場(chǎng)可知，改造前的尾水管流場(chǎng)中，轉(zhuǎn)輪的出水端形成了一定的速度環(huán)量，在尾水管進(jìn)口附近的錐管中有強(qiáng)度較高的渦帶和偏心渦帶。而改造后的尾水管，其整體的流態(tài)狀況有了一定的改善。在錐管段區(qū)域，雖然渦帶依然存在，但是其整體的強(qiáng)度水平較之改造前已經(jīng)顯著下降，且偏心渦帶已經(jīng)基本消失。

圖7 尾水管流場(chǎng)分布（改造前）

圖8 尾水管流場(chǎng)分布（改造后）

對(duì)比改造前后尾水管的能量損失情況，如表1所示。

表1 尾水管能量損失預(yù)測(cè)

從表1所示的數(shù)據(jù)來(lái)看，額定工況下，新的尾水管的能量損失約為2.1m水頭，而改造前的尾水管能量損失為1.6m水頭，二者僅相差0.5m水頭，從這個(gè)角度來(lái)看，改造前的尾水管略優(yōu)于新尾水管。但是由于二者的偏差比較小，故該偏差可以忽略。

綜上所述，在對(duì)原機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)中，采取增加活動(dòng)導(dǎo)葉的數(shù)量和更換新尾水管的改進(jìn)方案后，該水輪發(fā)電機(jī)組的流態(tài)、效率、出力等指標(biāo)較之改造前，均有了較大的提升，達(dá)到了預(yù)期的優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 真機(jī)測(cè)試

該優(yōu)化設(shè)計(jì)措施已被電站采納和實(shí)施，并于2019年開(kāi)始投入運(yùn)行。通過(guò)對(duì)機(jī)組的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，真機(jī)測(cè)試的改造前后比較情況如表2所示。

表2 改造前后機(jī)組運(yùn)行情況比較（額定工況）

從改造后機(jī)組的運(yùn)行情況來(lái)看，雖然轉(zhuǎn)輪葉片頭部也存在失效破壞的情況，但是較之改造前，其程度已經(jīng)由原來(lái)的嚴(yán)重變?yōu)榱溯p微。同時(shí)，對(duì)于轉(zhuǎn)輪葉片整體而言，由氣蝕產(chǎn)生的破壞程度，也由改造前的中等破壞水平變?yōu)榱溯p微。且噪音、發(fā)電效率以及共振破壞等參考指標(biāo)均有了比較顯著的改善。由此說(shuō)明，增加導(dǎo)葉數(shù)量和更換尾水管的優(yōu)化改進(jìn)措施，是行之有效的?；窘鉀Q了文章第1節(jié)中所描述的機(jī)組運(yùn)行問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于某混流式水輪發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行中存在的轉(zhuǎn)輪葉片破壞嚴(yán)重、噪音較大、振動(dòng)頻域大等問(wèn)題。采取增加活動(dòng)導(dǎo)葉數(shù)量和更換尾水管的方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)CFD分析和真機(jī)測(cè)試，結(jié)果表明改造后的機(jī)組流態(tài)得到了優(yōu)化，機(jī)組的效率也提升明顯，且由旋渦、氣蝕、共振等因素造成的機(jī)組零部件破壞程度減輕。說(shuō)明本文提出的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案對(duì)于該機(jī)組而言是比較合理的。下一步工作，將繼續(xù)優(yōu)化轉(zhuǎn)輪型線，力爭(zhēng)達(dá)到更優(yōu)的增容改造效果。