整流筒對水輪機(jī)性能影響的CFD仿真研究

張勁 楊栗晶 廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院

鄧志輝 中山市創(chuàng)想模型設(shè)計(jì)有限公司

尾水管是水輪機(jī)提高效率的重要部件，其主要作用是把轉(zhuǎn)輪出口處的水流排向下游，并回收轉(zhuǎn)輪出口處一部分水流的能量，盡最大化地利用水流的位能。水流流經(jīng)尾水管時(shí)，容易引起脫流、二次回流以及流動(dòng)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，特別是對于彎肘式的尾水管，這種現(xiàn)象更為明顯。當(dāng)水輪機(jī)在偏離最優(yōu)工況運(yùn)行時(shí)，進(jìn)入尾水管的流動(dòng)就會(huì)變得更加復(fù)雜，水流在周期性非平穩(wěn)因素及離心力的影響下產(chǎn)生偏心，出現(xiàn)回流區(qū)，使尾水管產(chǎn)生壓力脈動(dòng)及振動(dòng)現(xiàn)象。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，國內(nèi)外研究學(xué)者利用仿真模擬技術(shù)對水輪機(jī)進(jìn)行了廣泛的研究，在改善水輪機(jī)的性能穩(wěn)定性以及效率的提高取得了重大進(jìn)展。而CFD技術(shù)在計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示領(lǐng)域，能夠準(zhǔn)確而又真實(shí)的運(yùn)用，在水輪機(jī)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文所選用的是轉(zhuǎn)輪直徑D1=160mm的混流式水輪機(jī)，并在尾水管的直錐段內(nèi)部加同軸的兩端開口的整流筒（直徑為0.894D1），通過CFD仿真技術(shù)對典型工況進(jìn)行了模擬計(jì)算，擬對改善水輪機(jī)性能具有重大的意義。

1.方案設(shè)置及比較

研究對象包括前端開口小且后端開口大的錐管段，錐管段前端與水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪出水口對接，錐管段的通道內(nèi)設(shè)有與其同軸且前后開口的整流筒。如圖1所示，整流筒為中空狀且前后開口的圓柱筒。利用CFD技術(shù)考慮了“未安裝整流筒”的水輪機(jī)的最優(yōu)工況基礎(chǔ)上又增加了在“安裝整流筒”的條件下，對不同方案下的模擬結(jié)果進(jìn)行模擬，分析其可行性以及對水輪機(jī)性能的影響。

圖1 水輪機(jī)三維模型

2.CFD數(shù)值模擬計(jì)算方法

2.1 計(jì)算方法

由于尾水管內(nèi)部流動(dòng)屬于有漩渦的湍流流動(dòng)，湍流的流態(tài)比較復(fù)雜，存在著各種不規(guī)律和不穩(wěn)定的現(xiàn)象，本文選用SST k-?湍流模型。k和?是兩個(gè)基本的未知量，與k對應(yīng)的輸運(yùn)方程為：

與?相對應(yīng)的運(yùn)輸方程為：

式中：μt—湍流粘性；Gk—湍動(dòng)能k；Gb—湍動(dòng)能b；YM—在壓湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的所造成的影響；C1ε、C2ε和C3ε—經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；σk—湍動(dòng)能k相對應(yīng)的Prandtl數(shù)；σε—耗散率?相對應(yīng)的Prandtl數(shù)；SK和Sε—用戶定義的源項(xiàng)。

2.2 計(jì)算區(qū)域與網(wǎng)格劃分

仿真計(jì)算選用了非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，計(jì)算區(qū)域包括轉(zhuǎn)輪、尾水管、蝸殼、活動(dòng)導(dǎo)葉、固定導(dǎo)葉、整流筒。網(wǎng)格劃分的單元數(shù)分別為：進(jìn)水部分54萬，導(dǎo)葉135萬，轉(zhuǎn)輪135萬，尾水管54萬。水輪機(jī)、尾水管、整流筒的網(wǎng)格見圖2。

圖2 計(jì)算網(wǎng)格

3.CFD仿真結(jié)果與分析

3.1 對水輪機(jī)效率的影響

不同尾水管水輪機(jī)性能參數(shù)如表1所示，在計(jì)算進(jìn)口總壓、計(jì)算水頭、進(jìn)口流量、扭矩和輸出功率相同的前提下，可見安裝整流筒對水輪機(jī)效率的提高是有利的；且安裝整流筒的尾水管的計(jì)算出口總壓較未安裝整流筒的尾水管出口總壓變小，說明水流在整流筒的引導(dǎo)和整流作用下，使經(jīng)過整流筒水流的軸向壓力增大，靠近軸心與尾水管壁水流間的壓差減小，能夠起到抑制回流的效果。

表1 不同尾水管水輪機(jī)性能參數(shù)表

3.2 尾水管流場計(jì)算結(jié)果分析

在典型工況下，利用CFD技術(shù)對安裝整流筒前后的水輪機(jī)性能進(jìn)行仿真計(jì)算，得出如圖3所示的在不同條件下的尾水管中心截面示意圖，由于該工況為典型的設(shè)計(jì)工況，入流條件很好，可以看出原型尾水管的中心截面壓力分布較均勻，入口壓力較低；安裝整流筒的尾水管的中心截面壓力梯度明顯減小，壓力分布較均勻。

不同條件下的尾水管擴(kuò)散段流線分布圖如圖4所示，從圖中可以看出原型尾水管的管壁和沿軸中心兩側(cè)分布了很多漩渦，漩渦的存在和增加水流流動(dòng)的擾動(dòng)，使水力損失增大，對水輪機(jī)的效率有很大影響；而安裝整流筒的尾水管內(nèi)直錐段的流線流暢程度有所改善。

圖3 尾水管中心截面壓力分布圖

圖4 尾水管擴(kuò)散段流線分布圖

4.結(jié)論

通過在尾水管的直錐段內(nèi)安裝同軸的兩端開口的整流筒，在同一典型工況下，利用CFD技術(shù)對安裝整流筒前后的水輪機(jī)性能進(jìn)行仿真計(jì)算，對尾水管流場內(nèi)的中心截面壓力分布以及擴(kuò)散段流線的分布進(jìn)行了模擬計(jì)算，主要研究結(jié)果如下：

（1）安裝整流筒的尾水管的水輪機(jī)效率較原型尾水管的水輪機(jī)效率有所提高；

（2）整流筒的安裝使壓力分布較均勻，減少了流動(dòng)漩渦，使水流的紊亂程度得到改善，渦帶相對被抑制，流場的穩(wěn)定性顯著提高；

（3）整流筒的安裝縮小了軸心與周邊尾水管壁水流間的壓差，抑制了回流產(chǎn)生。