燈泡貫流式水輪機協聯對出力影響研究

張驍

摘要：為了提高一些投運多年的燈泡貫流式水電站機組出力，本文采用CFD數值模擬計算評估流道損失，通過水輪機現場試驗對電站原有協聯關系進行了優化，指出貫流式水輪機協聯換算的不足和對工作水頭的敏感性，最終利用合理技術方案達到提升出力的目的。

關鍵詞：燈泡貫流式水輪機;出力提升;CFD計算;現場試驗

貫流式水輪機具有水頭非常低、流量特別大的特點[1]，真機運行時采用協聯方式運行。當電站在實際水頭運行時，采用不同的導葉開度、槳葉角度，使其在很寬的流量變化范圍內都能夠高效率運行。由于水輪機組長時間在最優效率、較小壓力脈動情況下運行，從而使得水輪機使用壽命大大加長[2]。真機不協聯運行時，會使水輪機效率降低，穩定性差，甚至出力不穩不足[3]。本文針對一投運多年水電站出現出力不穩不足，振動和噪聲偏大的現象進行研究。

1 CFD數值計算

CFD數值計算分析能夠比較精確地分析和了解水輪機內部流動特性。CFD數值計算分析主要包括過流部件建模，過流部件網格劃分，全流道數值計算和計算結果分析等四個主要步驟[4]。過流部件建模的難點在于將二維平面圖轉化為三維立體圖。在轉化過程中，需重點考慮如何方便后續的網格劃分。采用AnsysICEM劃分引水部件和尾水管網格，采用AnsysTurboGrid劃分活動導葉和轉輪的網格。網格劃分示意圖如圖1所示：

CFD計算采用AnsysCFX16.0軟件， CFX軟件是基于三維、粘性、紊流、穩態或非穩態水流，用Navier-Stokes方程模擬水輪機內部的水流狀況。仿真結果能使我們獲得不同預期工況點的綜合數據和局部數據。進口采用總壓條件，出口采用opening條件，動靜邊界采用Frozen Rotor邊界條件。湍流模型采用κ-ε模型。計算結果如圖2和圖3所示：

從圖2看出流線非常光滑，看不出繞流;轉輪內流速分布均勻，正背面壓力分布也比較均勻;尾水管中回流小，水力損失小。

從圖3中看出，引水段及導葉的水力損失占比較小，兩者之和在1.5%左右;水力損失主要發生在轉輪，約為3.8%;其次是尾水管，約為2.3%。計算表明機組過流部件損失主要體現在轉輪和流道上，優化轉輪以及轉輪和流道匹配關系是減小水力損失，提高水輪機效率和改善機組出力的關鍵所在。

2 水輪機現場試驗

在現場進行水輪機試驗，試驗按國際標準IEC60041-1991《測定水輪機、蓄能泵和水泵水輪機水力性能的現場驗收試驗》的有關規定進行。目的是驗證原型效率曲線是否具有模型試驗的曲線形狀，依此指導水力機組的經濟運行，對于燈泡貫流式水輪機，通過測定相對效率的方法，可以驗證制造廠家提供的協聯關系是否正確并求取原型的最優協聯關系。

機組并網后，手動方式調節導葉和槳葉開度，轉槳式水輪機做定槳運行，在目前的協聯位置向兩邊調整導葉位置，進行約6～9個工況的試驗，以確定最優協聯關系。每個工況穩定運行后，測取此時各通道的壓力脈動信號及工作水頭，并記錄發電機有功功率、導葉開度、接力器行程和上下游水位等輔助量。在電站實際運行水頭下的試驗結果如圖4所示：

從圖4看出當槳葉開度從小到大時，即出力較小時，協聯關系差異稍大，開度較大時，協聯關系差異較小。模型和真機協聯關系的差異可能在于機組設計、制造、安裝過程中的偏差以及效率修正的誤差，按現場試驗后的協聯關系運行機組振動噪聲明顯減小，出力稍微增大。另一方面，貫流式機組對水頭很敏感，人工輸入的運行水頭為毛水頭，而通過計算動水頭損失在大流量區域達到1m以上，所以機組所謂出力不足可能是由于實際工作水頭不足，通過現場試驗，提高工作水頭實現了提升出力的目的。

3 結束語

通過水輪機現場試驗和CFD分析，減小過流部件損失，尤其是優化轉輪和匹配轉輪出口與尾水管的流道是提高效率，提升機組出力的關鍵，優化水輪機真機協聯關系和提高工作水頭也能讓機組更穩定經濟的運行。

參考文獻：

[1]姜茜.日本燈泡貫流式水電機組發展及技術特點[J].東方電氣評論，2009，23（03）：20-27.

[2]熊建平，陳燕新，陳梁年.燈泡貫流式水輪機導葉與槳葉協聯關系探討[J].水電站機電技術，2019，42（07）：7-12+76.

[3]李正貴. 燈泡貫流式水輪機協聯關系及性能研究[D].蘭州理工大學，2014.

[4]王正偉，周凌九，陳炎光，丁銘，陳國棟.燈泡貫流式水輪機水力損失分析[J].大電機技術，2004（05）：40-43.