沖擊式水輪機效率下降原因分析及其改進方案

陳 柱，劉 育，余 波，雷 恒

(1.重慶水輪機廠有限責任公司，重慶400054；2.國電大渡河流域水電開發有限公司，四川成都610016；3.西華大學能源與動力工程學院，四川成都610039；4.黃河水利職業技術學院水利系，河南開封475004)

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沖擊式水輪機效率下降原因分析及其改進方案

陳 柱1，劉 育2，3，余 波3，雷 恒4

(1.重慶水輪機廠有限責任公司，重慶400054；2.國電大渡河流域水電開發有限公司，四川成都610016；3.西華大學能源與動力工程學院，四川成都610039；4.黃河水利職業技術學院水利系，河南開封475004)

意大利某水電站更換轉輪后，發現當其在高水頭、大開度且以雙噴嘴方式運行時，水輪機效率隨著噴針開度的增加(尚未開到額定開度值)卻意外下降了5%。針對該問題，運用了CFD軟件對包括轉輪、噴嘴、機殼、機蓋等在內的水輪機內部流場進行了非定常氣水兩相流數值模擬，分析確定了水輪機效率下降的原因。隨后提出了對該水輪機增設擋水板的改進方案。計算結果表明，該改進方案阻止了水流再次返回至轉動區域，水輪機效率下降問題得到了解決。

水力機械；沖擊式水輪機；噴嘴；性能試驗；數值模擬

1 研究背景

意大利某水電站位于瓦萊達奧斯塔大區,其裝機為3臺沖擊臥式水輪發電機組。該電站1號機組由意大利米蘭Breda公司生產制造并于1926年投入使用，水輪機轉輪采取了臥軸雙噴嘴結構，其轉輪型號為CJXXX-W- 185/2×15.7，毛水頭為555.45 m，額定轉速為500 r/min，額定流量為3.6 m3/s，發電機額定出力為15 000 kW。由于受當時施工條件限制、設計技術落后以及已運行快1個世紀，該水輪機轉輪效率不高，急需對其進行優化改造。為此，業主單位通過購買我國某水輪機制造廠所設計研發的水力性能優秀的C601型轉輪直接更換來達到改造目的。2014年4月，該電站完成新轉輪安裝，但在開機試運行性能試驗中發現：在高水頭雙噴嘴運行時，當噴針開度達到一定值后(尚未開到額定開度值)，水輪機效率隨著噴針開度的增加而意外下降5%。

為解決該問題，首先，通過業主單位提供的現場系統的性能試驗數據資料，初步確定可能誘發其產生的原因；其次，運用CFD技術確定該水輪機效率突降5%的原因；最后，提出了對該水輪機增設擋水板的改進方案。

2 性能試驗

2.1 方案設置

為檢查和比較該電站舊沖擊式水輪機轉輪和我國某制造廠提供的新沖擊式水輪機轉輪的性能。業主單位對該電站1號機組水輪機轉輪在安裝舊輪與新輪運行下，共進行了8組試驗及測量。①新轉輪。高水頭，雙噴嘴工作；中、低水頭，雙噴嘴工作；高水頭，上噴嘴(下噴嘴關閉)工作。②舊轉輪。高水頭，雙噴嘴工作；中、低水頭，雙噴嘴工作；低水頭，雙噴嘴滿負荷工作；高水頭，上噴嘴(下噴嘴關閉)工作；高水頭，下噴嘴(上噴嘴關閉)工作。

2.2 結果及分析

為了便于試驗結果比較，對于每組測量，軸功率和流量數據被歸一到所有試驗水頭的平均值H0，并且假定參考水頭附近的水輪機效率為恒定值。因此，此假設在水輪機效率曲線頂點附近的水頭值可以成立；對于更遠一點的水頭，該假設會帶來一些計算誤差。針對其測試結果，通過最小二乘法和內插法進行處理(其中實線曲線部分利用最小二乘法，虛線曲線部分利用內插法)，其具體如圖1～3所示。其中，圖1、3所示的虛線是筆者為了便于分析，并且將其定義為一種可能存在的“飽和現象”(即在該區間，其水輪機效率隨噴針開度的增加而急速下降)，因為該區間沒有試驗點，其趨勢為假定的。

圖1 新輪—水輪機效率

圖2 舊輪—水輪機效率

圖3 水頭H=551 m下新輪與舊輪效率對比

由圖1可看出，在高水頭下，新輪以雙噴嘴運行時，水輪機效率較上噴嘴單獨運行時效率小得多；在大開度下，新輪以雙噴針運行時，水輪機效率意外下降大約5%，出現“飽和現象”。在中低水頭下，新輪以雙噴嘴運行時，水輪機效率出現“飽和現象”不明顯。

由圖2可看出，在各水頭下，舊輪以雙噴嘴運行時，水輪機效率均未出現“飽和現象”，且較上噴嘴單獨運行時水輪機效率相差較小，其在大開度下隨著水頭的提升其水輪機效率隨之增加。

由圖3可看出，新舊轉輪均以雙噴嘴運行時，在未出現“飽和現象”的運行區，新輪的水輪機效率高于舊輪，且兩者單噴嘴運行換成雙噴嘴運行時，水輪機效率均表征為下降。特別地，新舊輪均以單噴嘴運行，且在噴針小開度和中偏高開度時，其兩者的水輪機效率差為2%，且均未出現“飽和現象”。需要指出，由于下噴嘴單獨運行不是一種常見的運行方式，因其向上的水推力會對機組軸承產生不好的影響，故只進行了下噴針小開度試驗。

綜上，根據新舊輪性能試驗結果，筆者認為造成新輪在高水頭大開度下以雙噴嘴方式運行時，出現水輪機效率“飽和現象”可能的原因有：①尾水排水不暢，隨著流量的增大，可能出現轉輪打水，導致水輪機效率意外下降；②可能存在新水輪機轉輪水流出水與機蓋、機殼之間的匹配問題。因此，基于上述可能存在的原因，筆者利用CFD技術手段，對其水輪機內全流道流場開展了專門的數值模擬研究分析，以尋求合理的改進方案。

3 數值模擬

3.1 幾何模型及離散化

利用UG三維建模軟件并結合AutoCAD，對數值計算所研究的沖擊式水輪機全流道進行三維建模，其中包括轉輪、噴嘴、機殼、機蓋等[1]。與此同時，為了使生成的網格既能很好的描述水輪機全流道所具有的結構特征，又保證網格劃分后網格數量在現有計算機條件的計算范圍內，本次數值模擬研究采用了適應性較強的非結構化網格，即水輪機各過流部件的網格生成均采用非結構的四面體網格。對相對重要的轉輪旋轉區域做了網格加密處理，最終全流道水體模型與網格離散化后轉輪模型如圖4所示。

圖4 水體模型與網格離散化

3.2 計算方法及邊界條件

由于沖擊式水輪機內部流動具有強旋度及旋轉剪切流等特點，本次沖擊式水輪機內部氣水兩相流三維非定常數值模擬研究中，湍流模型采用雙方程模型中的RNG k-epsilon模型，氣水兩相流模型采用VOF模型；應用有限體積法離散控制方程；時間項采用一階向后差分隱式格式，方程組中擴散項采用二階中心差分格式，對流項采用二階迎風格式，應用PISO方法進行速度壓力耦合求解[2- 4]。

該沖擊式水輪機內部流動數值模擬工況按照前述性能試驗問題工況，選取了兩個工況進行對比研究：工況1，H=551.0 m，Q=3.5 m3/s、射流直徑φ=149.5 mm；工況2，H=551.0 m，Q=3.2 m3/s、射流直徑φ=143 mm。

通過FLUENT商用CFD軟件，其內部流動數值模擬邊界條件的定義主要包括壁面、進口、出口以及流動介質的定義[5]，具體設置為：①流動介質，空氣和水；②混合進口條件，給定噴嘴出口處射流速度和氣水各組分的體積份數，其中水和空氣比值為1∶0；③混合出口條件，給定尾水出口壓力和氣水各組分的體積份數，其中，出口處壓力為0，水和空氣比值為0∶1；④水輪機各靜止和旋轉交界面采用滑移網格技術，所有近壁面區均采用標準壁面函數法處理；⑤施加相應的重力加速度。

3.3 結果及分析

由于本次數值模擬采用瞬態流動分析，且計算時間步長取0.001 s，即相當于水斗旋轉了0.158個水斗。考慮到篇幅限制，下面將僅給出該水輪機在工況1和工況2運行時，0.000 s、0.005 s和0.010 s時刻時，水輪機內部和中截面氣水分布圖，具體見圖5～8。

圖5 水輪機區域內氣水分布(工況1)

圖6 水輪機中截面氣水分布(工況1)

圖7 水輪機區域內氣水分布(工況2)

圖8 水輪機中截面氣水分布(工況2)

由圖5～8可看出，在所選擇的兩個工況下，以雙噴嘴方式運行時，在機殼和機蓋連接處出現水流堆積現象，導致部分水流再次返回到轉輪轉動區域中，從而形成嚴重干涉，導致該水輪機效率下降。

與此同時，為了驗證水從水斗出來撞到機殼后是否反射，對單個水斗在某一假設條件下進行數值模擬研究，其三維示意模型與中截面氣水分布如圖9所示。

圖9 水柱射入水斗簡圖及其中心截面氣水分布

4 優化方案及結果

依據CFD原因分析結果以及考慮到實際工程中可行性，筆者認為可采用增設擋水板的改進方案來導流，其具體方案設置如圖10所示。與此同時，為了對比較改造前水輪機內部流動情況，運用第2小節提供的該水輪機內部流場數值計算方法，對該沖擊式水輪機在工況2運行時進行數值模擬，其結果如圖11、12所示。

圖10 改進方案

圖11 水輪機區域內氣水分布(工況2)

圖12 水輪機中截面氣水分布(工況2)

由圖11、12可看出，對該水輪機增設擋水板方案，起到了良好的導流作用，阻止了水流再次返回至轉動區域內。該電站1號機組水輪機經此種改進方案后，通過業主單位反饋的機組實際運行情況可知，該工況下水輪機效率未出現“飽和現象”，運行良好，由此表明該問題得到了徹底解決。

5 結 論

(1)采用VOF模型對意大利某水電站沖擊式水輪機內部進行了非定常氣水兩相流計算研究，并結合性能試驗與數值計算結果分析，確定了導致新輪在高水頭、大開度且以雙噴嘴方式運行時水輪機效率下降5%的原因為：新水輪機轉輪水流出水在機殼和機蓋連接處不斷堆積，最終致使水流再次返回到轉輪旋轉區域，形成了嚴重干涉，從而導致了水輪機效率突降。

(2)通過運用CFD方法原因分析結果，采取了對該水輪機增設擋水板的改進方案，計算結果表明：此種改進方案有效的防止了水流再次返回至新輪旋轉區域，新輪水輪機效率突降問題得以解決。

(3)本文采用的沖擊式水輪機內部非定常氣水兩相流數值計算方法，可應用于同類型水輪機水力設計與優化，特別地適用于實際工程項目。

[1]周文桐， 周曉泉. 水斗式水輪機轉輪設計[J]. 大電機技術， 2008(2)： 44- 53．

[2]XIAO Y X， WANG Zhengwei， ZHANG Jin， et al. Numerical and Experimental Analysis of the Hydraulic Performance of a Prototype Pelton Turbine[J]. Journal of Power and Energy， 2014， 228(1)： 46- 55．

[3]PERRIG A. Hydrodynamics of the Free Surface Flow in Pelton Turbine Burckets[M]. Lausanne： EPFL， 2007．

[4]PERRIG A. 沖擊式水輪機水斗中流動的數值分析[J]. 尹繼紅， 李任飛， 譯. 國外大電機， 2005(1)： 55- 59．

[5]肖業祥， 鄭愛玲， 韓鳳琴， 等. CFD法研究多噴嘴沖擊式水輪機的射流干涉[J]. 華南理工大學學報： 自然科學版， 2007， 35(3)： 66- 70．

(責任編輯 高 瑜)

Analyses and Improvement on Efficiency Decrease of Pelton turbine

CHEN Zhu1, LIU Yu2, 3, YU Bo3, LEI Heng4

(1. Chongqing Hydraulic Turbine Co., Ltd., Chongqing 400054, China;2. Guodian Dadu River Hydropower Development Co., Ltd., Chengdu 610041, Sichuan, China;3. School of Energy and Power Engineering, Xihua University, Chengdu 610039, Sichuan, China；4. Department of Water Conservancy, Yellow River Conservancy Technical Institute, Kaifeng 475004, Henan, China)

After replacing the runner of Pelton turbine in an Italian hydropower station with Chinese production, the efficiency of turbine decreases by 5% with the increasing of needle opening which still below rated opening when the turbine operates at high water head, big opening and double nozzle mode during on-site performance acceptance test. For solving this problem, the CFD software is used to simulate the internal flow field of unsteady gas-water two-phase flow of turbine including runner, nozzle, casing and machine cover, and the reasons of efficiency decrease is analyzed. The improvement scheme of adding baffle plate is proposed. The simulation results show that the improvement can prevent water flowing back to rotating parts and the efficiency decrease is resolved．

hydraulic machinery; Pelton turbine; nozzle; performance test; numerical simulation

2015- 10- 13

國家自然科學基金資助項目(51379179);河南省高等學校青年骨干教師資助項目(2013GGJS- 197)

陳柱(1982—)，男，廣西玉林人，工程師，主要從事水輪機水力和結構的數字化設計及結構設計工作．

TK735

A

0559- 9342(2016)06- 0049- 04