西藏老虎嘴電站水輪機內部流場數值模擬研究

劉 威，羅紅英，余 強，袁進輝

（1.西藏大學農牧學院，860000，林芝；2.九江海天設備制造有限公司，332100，九江；3.西藏電力有限公司巴河發電公司，860000，林芝）

西藏高海拔、低氣壓等獨特自然環境使水流內的絕對壓強較小，飽和蒸汽壓降低，從而更容易發生空化現象。運用數值仿真技術，獲得水輪機內部流道各過流部件的具體流動特征，可以定性、定量地對該水輪機能量特性、汽蝕特性以及穩定性進行評價和預測，可以最大限度地節約模型試驗的材料成本，還可以為水輪機的設計、制造及優化提供良好的理論基礎。國內外學者對水輪機數值模擬進行了大量研究，如朱李等采用SIMPLE算法和RNG k-ε模型探討了長短式葉片混流式水輪機的內部流動規律；馬越以長短葉片混流式水輪機為例分析了基于流固耦合數值模擬考慮的三維流場特性與葉片動力特性，開展了水輪機振動的數值研究；張強等對潮流能水輪機進行三維湍流數值模擬，結果表明水輪機葉片葉尖采用對稱翼型及葉根采用彎度較大翼型能夠獲得較好的水力性能；馮俊豪采用SIMPLE算法和標準K-ε湍流模型、基于有限控制體積法，并輔以壁面函數法，對HL260轉輪及其機組段整體過流通道進行了內流場的數值模擬；李偉對一款中比轉速的混流式水輪機轉輪內部葉道渦進行了數值模擬研究；劉宇等對水輪機內部流場進行了三維數值模擬研究，并提出了過流部件的性能預測及設計優化；余燕對A696混流式水輪機轉輪內部穩定場進行了數值模擬，分析了轉輪葉片在不同運行工況下的很多外部特性，如過流量、效率等能量特性，還從葉片正背面的壓力分布預見了轉輪的空化性能。目前研究成果豐碩，但對西藏高海拔、低氣壓特殊地區的水輪機進行數值模擬研究甚少，本研究具有重要的現實意義。

一、老虎嘴電站機組概況

老虎嘴水電站工程位于西藏東南部的林芝地區工布江達縣，距巴河出口處約5.5 km，施工區平均海拔3 300多m。電站總投資12.88億元，安裝3臺34 MW立軸混流式水輪發電機組，總裝機容量120 MW，多年平均發電量4.955億kWh，是西藏迄今為止建設的單機容量最大的水電站，也是緩解藏中電網缺電的骨干電源。老虎嘴電站正常蓄水位3 297.00 m，死水位3 295.00 m，水庫調節庫容710萬m3，電站最大壩高3 299.00 m，吸出高程-5.2m，鋼管直徑4m，水輪機型號為HLA-551-LJ-280，轉輪直徑280 cm，最大水頭62 m，最小水頭51.8 m，額定水頭56 m，額定流量68.591 m3/s，額定出力35.42 MW，額定轉速214.3 r/min，額定效率94%，最高效率94.7%。

二、水輪機流道幾何建模與網格劃分

1.水輪機流道幾何模型

根據水輪機的實際參數建立的整體模型如圖1所示，包括固定導葉8片、活動導葉12片、蝸殼及轉輪葉片一組。其中，活動導葉與轉輪葉片之間建立一個圓形面域（交界面2），固定導葉與蝸殼之間為了劃分出更加優良的網格而建立的圓形面域（交界面1），模型建好后需要選中所有模型的面域導出*sat格式文件輸出。

圖1 整體幾何模型

2.網格劃分

運用多重參考系模型(MRF)對包含旋轉流動區域進行數值計算時需要分別設置轉動區域和非轉動區域兩個區域，并在兩個區域的交界面設置interface邊界條件，使得兩個區域的流動信息能夠進行相互傳遞、相互干涉，形成動靜耦合。在Gambit中，對旋轉區域、導葉部分以及蝸殼部分的網格劃分情況見表1，其中，將活動導葉與固定導葉部分組合在一起進行網格劃分是為了避開蝸殼鼻端突出部分導致的網格劃分質量不好的難點問題；考慮到對計算機性能的要求，以及蝸殼計算域較大，對蝸殼進行網格劃分時，可以將Interval size設置大點。

表1 對旋轉區域、導葉部分以及蝸殼部分的網格劃分情況

3.網格質量檢查與無關性驗證

網格質量檢查需要進行一般性檢驗和無關性檢驗，而評價網格質量的好壞主要依據的是網格變形度。從圖2中可以看出網格的變形度接近0，顏色也主要靠近藍色，因此該網格質量比較高，并且適合于接下來的計算。

圖2 整體網格質量的變形度

圖3 精度和時間隨網格數量的變化

圖3中曲線1表示流場中的計算精度隨網格數量變化而收斂精度變化的曲線，曲線2表示計算時間隨網格數量變化而變化的曲線。可以看出：在網格數量較少時，增加網格數目可以使計算精度明顯提高，而計算時間不會有明顯的提高。以本例網格P點為例，當網格數量提高到一定程度后，隨著網格數量的提高，精度變化不大，而消耗計算時間卻顯著提高，說明計算結果與網格無關的，再繼續增加網格數目意義不大。

三、邊界條件以及參數設置

應用計算流體力學（CFD）中Fluent 6.3軟件對模型進行數值計算時，選取額定工況作為水輪機的計算工況，邊界條件主要是設置進出口邊界條件、湍動能及湍動能耗散率、MRF模型以及操作條件等。水輪機內部流動為不可壓縮低速運動，選擇分離求解法，時間為穩態模型；在選擇湍流模型時考慮到水輪機內部流動的旋轉剪切流，采用Realizable k-ε湍流模型和SIMPLEC算法；采用壓力與速度耦合方式、二階迎風格式提高計算結果的準確性，不考慮重力影響，其他所有參數默認；其中大氣壓根據海拔高度設定，該水輪機所在當地大氣壓小于一個標準大氣壓下，經計算設置操作壓力為70 100 Pa。將固定導葉、活動導葉、蝸殼、葉片全部設置為WALL邊界條件；對于進口設置為velocityinlet，速度大小為5.46 m/s；出口設置為壓力出口，表壓為大氣壓加水壓；進/出口湍流強度均設置為5%，水力直徑均設置為0.05 m；旋轉域的材料設 置 為water-liquid，Motion Type設置為Moving Reference Frame運動方式，即MRF模型，speed設置為-22.43 rad/s（負號表示方向）；非旋轉域的材料設置為water-liquid，Motion Type設置為Stationary。將葉片Wall Motion設 置為Moving Wall，Motion設 置為Relative to Adjacent Cell Zone，Shear Condition設置為No Slip（無滑移剪切條件）。用進口邊界條件作為整個流場初始化的解，其余都用默認值。

四、計算結果及性能預測

水輪機內部流場計算及研究的主要問題是水輪機各過流部件的壓力場以及速度場，只有在充分掌握水輪機蝸殼、活動導葉、固定導葉、轉輪等各個過流部件流場的壓力場以及速度場，才能對水輪機的工作性能進行正確評估和預測。

1.水輪機壓力分布分析

從圖4可看出，等值壓力面分布以轉輪中心為圓心呈現環狀均勻分布的特點，因為固定導葉、活動導葉以及轉輪葉片與水流的耦合運動導致壓力分布呈現沿著徑向逐漸減小。在轉輪葉片區域，壓力變化沿著徑向方向變化比較劇烈，壓力變化梯度最大，因為流體的勢能轉化為轉輪葉片的旋轉機械能，導致壓力迅速降低，這有利于上游的水流進入水輪機持續做功。在以轉輪為圓周方向上，固定導葉、活動導葉以及轉輪葉片區域的壓力分布具有良好的圓周對稱性，各個區域的壓力變化比較平穩，沒有發生特別明顯的突變。水輪機運行比較穩定，不會有很大的震動，整個流場的水流運動對各個過流部件也沒有嚴重的撞擊、脫流及漩渦現象。對水輪機的工作來說，此工況下水輪機效率較高。

圖4 水輪機整體流場壓力云圖

2.水輪機內部流速分布分析

該水輪機由12個活動導葉及8個固定導葉構成了導水機構，與蝸殼一樣導水機構也會起到使水流形成均勻的環量后進入水輪機的轉輪葉片。由圖5可看出，靠近蝸殼壁的水流流速較小，而遠離蝸殼壁的水流流速較大，并且沿著徑向方向均勻增大。還可以看出水輪機速度等值線排列比較均勻，并且每一根等值線都比較接近一個圓，這種流速分布符合水輪機內部流速速度矩定理，也說明水輪機蝸殼設計合理。在轉輪葉片區域流速減小，說明水流的動能已轉化為轉輪葉片的旋轉動能，并且各個葉片之間的流動區域速度變化均勻，排列也比較符合圓周對稱性。各個導水機構附近的水流流線排布比較光滑，說明并沒有發生特別嚴重的水流撞擊導水機構、脫流及漩渦等嚴重的不安全現象，這說明在導水機構的安放角以及數量等上面的設計比較合理。

圖5 水輪機整體流場速度云圖

3.流速矢量分析

水輪機內部流動的流速矢量顯示了水輪機內部速度矢量的大致分布，它最能評價水輪機各個過流部件附近的流動狀況優劣。本文選取了幾個比較典型的區域分析這些水輪機過流部件附近的流場、速度矢量的順暢度以及是否發生了脫流、漩渦等不良流動現象。

圖7 活動導葉附近流速矢量圖

圖8 葉片附近流速矢量圖

從圖6看，蝸殼鼻端左右兩邊的流速矢量分布呈現比較光滑、流暢的方式，左右兩側的水流可以順暢、井然有序地沿順時針方向流動，沒有發生脫流、漩渦、兩股合流水流相互之間的摻混和撞擊等不良現象。水流逐漸形成一定的環量后流進固定導葉、活動導葉，并最終進入葉片區域進行做功，這表明該水輪機蝸殼鼻端區域流動狀態優良。

從圖7看，水流會順著活動導葉的翼型而光滑的流過，并且從固定導葉流過來的水流在接觸活動導葉的迎水端時沒有發生嚴重的撞擊現象，水流速度矢量幾乎與活動導葉骨線方向一致，所以活動導葉兩側的水流可以光滑平穩度過。在活動導葉的尾端也沒有發生脫流以及嚴重的漩渦現象，活動導葉能夠很好地對水流進行導流，使水流形成一定的環量。

轉輪葉片是將水流動能轉化為水輪機旋轉動能的最核心部件，在此區域存在強烈的能量轉移，因此該區域的流態為比較復雜的湍流運動。從圖8看，在葉片附近的水流是由活動導葉部分導流而來，已經具有一定的速度環量及圓周對稱性，因此水流在葉片進口處對葉片進口部分沒有造成撞擊、脫流以及漩渦等不良流動現象，且在葉片出口處其速度矢量幾乎與葉片呈法向，這種狀態符合最優工況的無撞擊進口以及法向出口條件，并驗證著該水輪機在高效率的運行，為最優工況運行。

五、結 論

水輪機內部流道的壓力分布呈現環狀分布的特點，且沿著徑向逐漸減小。在轉輪葉片區域，壓力變化梯度最大；在以轉輪為中心的圓周方向上，壓力分布具有良好的圓周對稱性；壓力變化平穩過渡，水輪機運行比較穩定。

靠近蝸殼壁的水流流速較小，而遠離蝸殼壁的水流流速較大，且沿著徑向方向均勻增大。水輪機速度等值線排列比較均勻，每一根等值線都比較接近一個圓，水輪機內部流場的水流符合速度矩定理。

所有的典型過流部件附近區域的速度矢量呈現分布比較光滑、流暢的方式。在最優工況下運行時，在葉片區域水流的運動規律符合無撞擊入口以及法向出口，驗證了本次計算結果與實際工況的吻合。

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