基于CFD計(jì)算的水輪機(jī)蝸殼改型水力設(shè)計(jì)

【摘要】針對(duì)某水電站項(xiàng)目，水輪機(jī)原蝸殼模型參數(shù)需進(jìn)行改型設(shè)計(jì)。本文研究了蝸殼水力設(shè)計(jì)三種方法的內(nèi)在聯(lián)系，結(jié)合該項(xiàng)目技術(shù)要求，分別應(yīng)用等周向平均速度法和給定面積變化規(guī)律法對(duì)原蝸殼進(jìn)行改型水力設(shè)計(jì)，采用CFD方法對(duì)原模型蝸殼與改型設(shè)計(jì)蝸殼對(duì)應(yīng)的三種水輪機(jī)全流道進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，比較了原模型蝸殼與改型蝸殼的計(jì)算結(jié)果。結(jié)果表明：兩種方法所設(shè)計(jì)的蝸殼水力損失小，水輪機(jī)水力效率高，都優(yōu)于原蝸殼，且滿(mǎn)足水輪機(jī)技術(shù)性能保證要求，給定面積變化規(guī)律法設(shè)計(jì)的蝸殼水力性能更優(yōu)秀。

【關(guān)鍵詞】水輪機(jī)；蝸殼水力設(shè)計(jì)；水力效率；CFD分析

1、引言

蝸殼是水輪機(jī)的重要過(guò)流部件，在水輪機(jī)水力設(shè)計(jì)中有著重要地位，其作用是引導(dǎo)水流沿圓周方向均勻進(jìn)入導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，并具有一定量的圓周速度。

本文結(jié)合某水電站項(xiàng)目，水輪機(jī)蝸殼按模型相似換算后蝸殼進(jìn)口直徑Φ1482mm，因水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)限制，蝸殼進(jìn)口直徑需增大至Φ1700mm，在其它過(guò)流部件不改變前提下，僅對(duì)蝸殼進(jìn)行改型設(shè)計(jì)，因而蝸殼各殼節(jié)斷面的幾何參數(shù)需重新進(jìn)行水力設(shè)計(jì)。基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）方法對(duì)所設(shè)計(jì)的蝸殼與原蝸殼的水輪機(jī)全流道進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，針對(duì)蝸殼的改型設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)的蝸殼水力損失小，水輪機(jī)水力性能優(yōu)良，滿(mǎn)足水輪機(jī)技術(shù)性能保證要求。

2、水輪機(jī)蝸殼水力設(shè)計(jì)方法

本文為蝸殼改型水力設(shè)計(jì)，前提條件：蝸殼為圓形斷面的完全蝸殼，參數(shù)、、、已知。為蝸殼包角，蝸殼進(jìn)口半徑，為蝸殼殼節(jié)與座環(huán)搭接點(diǎn)到導(dǎo)水機(jī)構(gòu)水平中心線(xiàn)的距離，為殼節(jié)與座環(huán)搭接點(diǎn)到轉(zhuǎn)輪中心線(xiàn)距離；蝸殼第i斷面幾何參數(shù)：殼節(jié)半徑，殼節(jié)圓心到機(jī)組中心的距離，如圖1所示，為第i斷面蝸殼包角，第i斷面面積。并假設(shè)蝸殼內(nèi)流動(dòng)為平面定常流動(dòng)，蝸殼出流量周向均勻。水輪機(jī)蝸殼水力設(shè)計(jì)常用四種設(shè)計(jì)方法，針對(duì)本電站的蝸殼改型設(shè)計(jì)，四種設(shè)計(jì)方法筆者都進(jìn)行了嘗試。

①等速度矩法：假定蝸殼中的水流按等速度矩（）規(guī)律分布，在對(duì)蝸殼尾部斷面參數(shù)計(jì)算時(shí)，得出的蝸殼尾部斷面半徑過(guò)小，因本電站為低比轉(zhuǎn)數(shù)混流式水輪機(jī)組，殼節(jié)斷面半徑尤為減小，采用該方法設(shè)計(jì)的蝸殼多有以渦對(duì)形式出現(xiàn)的二次流動(dòng)，且蝸殼尾部水力損失大。故本文未采用此計(jì)算方法。

②等周向平均速度法：假定蝸殼各斷面水流的圓周速度相等（），因改型蝸殼進(jìn)口斷面尺寸已知，故每個(gè)殼節(jié)斷面的圓周速度都相等為常數(shù)，即，求出斷面面積，可以看出殼節(jié)斷面面積是蝸殼包角的正比例函數(shù)：。因其它幾何參數(shù)已知，斷面面積僅與斷面半徑有關(guān)，即：，從而求解出半徑是斷面面積的反函數(shù)，即：，中心距：，得出蝸殼斷面幾何參數(shù)。

3、數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

在額定水頭H=142.9m，導(dǎo)葉開(kāi)度為15度的額定工況下，計(jì)算了三種蝸殼對(duì)應(yīng)的水輪機(jī)全流道流動(dòng)，分別命名為原蝸殼1（模型換算，蝸殼進(jìn)口Φ1481.2）、改型蝸殼2（方法②設(shè)計(jì)，蝸殼進(jìn)口直徑Φ1700）、改型蝸殼3（方法③設(shè)計(jì)，蝸殼進(jìn)口直徑Φ1700）數(shù)值計(jì)算結(jié)果如表1所示。

對(duì)比改型前后計(jì)算結(jié)果：原蝸殼1的全流道計(jì)算水力效率為94.85%，模型綜合特性曲線(xiàn)試驗(yàn)效率為93.51%，計(jì)算誤差在可容許范圍之內(nèi)。改型蝸殼水輪機(jī)過(guò)流能力與原蝸殼1基本一致，水力效率則稍有增大，蝸殼段水力損失減小；兩種改型蝸殼水力性能都能滿(mǎn)足水輪機(jī)水力性能保證要求，給定面積變化規(guī)律法所設(shè)計(jì)的蝸殼水力損失更小一些。

4、結(jié)論

淺析水輪機(jī)蝸殼水力設(shè)計(jì)三種方法：彼此相互關(guān)聯(lián)，在一定的變換條件下，彼此可相互轉(zhuǎn)化；通過(guò)分析蝸殼改型前后的水輪機(jī)全流道CFD計(jì)算結(jié)果得出：改型蝸殼對(duì)固定導(dǎo)葉、活動(dòng)導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪流道的水力性能影響很小，兩種方法設(shè)計(jì)的改型蝸殼都能滿(mǎn)足水輪機(jī)的性能合同保證，采用給定斷面面積法設(shè)計(jì)蝸殼的水力損失更小些，水輪機(jī)水力效率更優(yōu)秀。

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