基于CFD的映秀灣電站水輪機轉輪優化分析

2017-03-22 07:58:00楊軍，卿彪

中國農村水利水電 2017年6期

楊軍，卿彪

(國網四川省電力公司映秀灣水力發電總廠，成都 611830)

映秀灣水電站位于四川省汶川縣境內，坐落于岷江上游左岸，系一低閘隧洞引水式徑流電站。其機組在經過多年的運行之后，機組效率和水力穩定性降低，空化空蝕嚴重，嚴重影響了水輪發電機組的穩定、高效運行。因此為了提高機組性能，有必要對映秀灣電站機組轉輪進行優化設計。本文先對轉輪進行優化設計，而后采用計算流體動力學的方法(CFD)對轉輪和活動導葉進行聯合計算，進而分析新轉輪的指標是否符合改造要求。

1 轉輪設計

1.1 基礎轉輪的選擇

現代水輪機水力設計的特點是針對某一電站的具體參數條件，首先選擇盡量能夠適應或接近于該電站參數的、性能較好的基礎轉輪，在此基礎上應用現代水力設計手段進行轉輪的優化設計[1]，使新設計出的轉輪的各項性能指標全面優于原基礎轉輪，并且更加適應于電站的參數條件，表1為映秀灣電站原水輪機的設計參數，原水輪機轉輪為A36。

此次改造的目的是為了提高水輪機效率并改善機組的水力穩定性。希望在水頭未47～48 m ，水輪機出力為40 MW左右處于高效率區運行，而改造后水輪機額定出力不變，同時提高水輪機抗磨蝕能力。因此在此次改造過程中，能更換的只是轉輪，導葉或者對固定導葉進行局部的修型處理，同時還得考慮實際通道條件的限制。

綜合映秀灣電站的基本參數以及此次改造的目的，此次轉輪的優化設計選擇的基礎轉輪型號為A982，其能量指標，空化指標，以及壓力脈動等性能指標都達到了很高的水平(見表2)。

1.2 轉輪軸面圖的對比

表1 原水輪機設計參數Tab1.Design parameters of raw water turbine

表2 A9822轉輪基本能量指標Tab.2 Basic energy index of A982 runner

A982轉輪與A36轉輪的軸面圖如圖1所示，前者的導葉高度是0.288，后者的導葉高度是0.25，因此為了滿足映秀灣電站的通道條件，在優化過程當中的，將A982轉輪的上冠下壓，將導葉高度由0.288下降到0.25，如圖1中粗實線所示，這就是新轉輪A606c轉輪的流道圖。新轉輪 A606c比 A982的流量減小，基本適合于映秀灣電站參數要求，A982轉輪下環軸面高度以及轉輪出口直徑與A36基本吻合，故采用 A982做基礎轉輪的方案可使映秀灣電站原錐管保持不變。

圖1 軸面比較圖Fig.1 Comparison chart of axial plane

2 數值模擬

2.1 控制方程

為了使得轉輪的計算更加合理，本次計算采用轉輪與活動導葉聯合計算的方式，其計算過程中涉及的控制方程如下[2-4]：

連續方程：

(1)

動量方程：

(2)

1986年Yakhot和Orszag提出RNGk-ε模型。Renormalization Group(譯為重正化群)的縮寫為RNG。修正后的k方程和ε方程形式分別如下：

(4)

(5)

式中：μt=ρCμκ2/ε為湍流黏度；μeff=μ+μt為有效黏性系數。

μt為分析了旋轉葉輪式流體機械流場效果；Boussines，設：

2.2 模型建立

根據改型設計目標參數的要求，經過多次計算，比較改型前后轉輪葉片區域工作面及背面壓力分布、速度分布、流線分布的合理性，計算比較改型前后轉輪數值效率的高低及轉輪出口環量、最低壓力以及流速變化，優化篩選出一個較優的設計方案。圖2和圖3分別是轉輪聯合計算的模型及網格劃分，此次網格劃分采用結構化網格，單周期網格節點數約為8萬個。根據映秀灣電站水輪機運行負荷加權因子表的具體情況，在 CFD 計算時著重分析了最優工況、額定水頭額定出力工況、最低水頭額定出力工況和最大水頭額定出力工況(見表3)。

圖2 計算區域Fig.2 Calculation area

圖3 網格劃分Fig.3 Mesh generation

計算工況單位流量Q11/(m3·s-1)單位轉速n11/(r·min-1)最優工況0．62069．00額定水頭，額定出力0．73071．10最小水頭，額定出力0．72576．20最大水頭0．55064．30

2.3 模擬結果及分析

為了充分對改型轉輪與原型轉輪進行比較，分別對電站原轉輪A36和改型后轉輪 A606c 進行 CFD 分析計算。以下給出了電站原轉輪 A36 和改型后轉輪 A606c 在以上各個工況的流場分布情況，現僅列舉最優工況下的模擬結果。

圖4 A36和A606c葉片正面壓力分布Fig.4 A36 and A606c blade positive pressure distribution

圖5 A36和A606c葉片背面壓力分布Fig.5 A36 and A606c blade negative pressure distribution

圖6 A36和A606c葉片區域流線圖壓力分布Fig.6 Pressure distribution of flow line in A36 and A606c blade area

圖7 A36和A606c葉片上冠附近速度矢量Fig.7 Velocity vector near the crown of A36 and A606c blade

圖8 A36和A606c葉片中間流面速度矢量Fig.8 Intermediate velocity vector of A36 and A606c blade

圖9 A36和A606c葉片下環附近速度矢量Fig.9 Velocity vector near the lower ring of A36 and A606c blade

從圖4～圖9的液體流態分析可以得出，新轉輪 A606c葉葉片工作面和背面壓力分布均勻，特別是背面壓力分布明顯好于 A36 轉輪。新轉輪葉片頭部正面速度矢量分布均勻，沒有出現葉片進口頭部水流撞擊產生的回流現象，整個液道間流線分布合理。新轉輪葉片頭部背面速度矢量分布均勻，同樣沒有出現葉片進口頭部水流撞擊產生的回流現象。通過多工況 CFD 分析結果分析可知，葉片正、背面脫流現象在映秀灣水輪機運行范圍內基本不會出現。流態分布的均勻性將會對整個機組的穩定性非常有利。

圖10的數值效率比較圖計算了在額定水頭下，不同流量工況點時數值效率。從圖10可以看出，A606c轉輪的數值效率始終高于A36轉輪，在數值上提高了2.5%以上。從圖11可以看出，在額定水頭下，不同流量工況點，A606c的最低壓力均大于相同條件下A36最低壓力，這說明新轉輪A606c的空化性能要優于舊轉輪A36[5-7]。