基于固液雙介質的導水機構雙葉柵流場研究

劉福春 張婷 劉超 李翔宇

摘?要：基于Pro/E模型，Gambit網格，采用固液兩相流介質，用計算流體力學（Computational Fluid Dynamics）方法分析了某電站導水機構雙列葉柵的位置關系是否會導致水輪機水力損失的變化;對雙葉柵5種位置關系的壓力、速度分布及水力損失進行水力計算，證明雙葉柵的位置關系會對導水機構流場產生較大作用。CFD計算結果表明：在最優工況和額定工況下，雙葉柵相對位置為較大時，水力損失較小。

關鍵詞：固液兩相流;導水機構;流場分析;設計優化

1 緒論

對現有文獻進行總結發現，水輪機導水機構固定導葉和活動導葉的位置分布、導葉數量、導葉轉角、導葉的正負曲率都對水輪機性能有影響[1-5]。但在現有的水輪機導水機構的仿真模擬研究中，對于活動導葉和固定導葉相對位置對導水機構流暢的研究較少，也不能普遍適用于所有現存的水輪機，所以對于某新建電站的導水機構流場仿真模擬仍具有實際意義[6-18]。本文對某電廠混流式機組水輪機導水機構進行CFD計算，希望能對機組運行中的水輪機水力振動及損失有所參考。

2 計算方法和流動模型

2.1 水輪機的基本參數

轉輪直徑1.7m，最大水頭238m，最小水頭220m，額定水頭231m;導葉20個。泥沙顆粒直徑為0.5mm，體積濃度為5%。

2.2 計算模型及網格

使用Pro/E軟件對水輪機由蝸殼進口至尾水管出口進行三維建模。模型如圖1、2所示。用前處理軟件Gambit進行混合網格劃分。

2.3 水流控制方程

2.3.1 流體相的基本方程

2.3.2 固粒相的基本方程

固粒相粒徑為Dpk的粒子所滿足的連續方程和動量方程為：

對連續方程和動量方程在貼體坐標下采用有限體積法在模型中進行分割?？刂品匠谭指顣r，壓力相采用二階中心差分格式，其他項采用二階迎風格式，采用壓力速度耦合算法[19]。

2.4 邊界條件給定

進口邊界為蝸殼進口截面流量給定，出口邊界為尾水管末端截面。模型外壁為組合封閉面，內部為流場，模型壁面區域使用標準函數法處理[19]。

3 計算結果與分析

3.1 導葉的分布關系及導葉相對水力損失公式

將水輪機模型建立坐標系，將導水機構重心作為坐標原點，將模型的右、前方向分別作為作為X、Y軸，與導水機構垂直方向作為Z軸，根據導葉間隔18°，固定導葉不動，將活動導葉沿Z軸依次旋轉3.6°，得到以下方案。方案1雙葉柵位置為0°;方案2雙葉柵位置為3.6°;方案3雙葉柵位置為72°;方案4雙葉柵位置為10.8°;方案5雙葉柵位置為14.4°。

根據導水機構的水力學特性，水力損失如下式所示：

3.2 結果與分析

本文分別對額定工況和最優工況工況進行了計算。從導水機構進口到出口，壓力、速度分布比較均勻，流線清晰，壓力和速度呈負相關，壓力在逐漸降低，而速度在升高。

CFD計算后，對五種方案下壓力和流速場分析表明，雙葉柵擺放位置不同對流場影響較大。在雙葉柵位置為14.4°附近時水力損失較小，壓力場和速度場均勻分布，不容易產生壓力突變區，一定程度上減弱了空化空蝕。

4 結論

（1）本文對某電站水輪機在兩種典型工況下進行了CFD仿真計算，得到了不同狀態下的導水機構壓力、速度場及水力損失。

（2）雙葉柵相對位置較小時容易使壓力場局部增大，容易導致導葉局部磨損。所以，建議在一定程度上擴大分布圓的半徑，降低導葉高度，盡量增大導葉的開度。

參考文獻：

[1]沈春和，桂林.低比轉速水輪機活動導葉固液兩相數值模擬研究[J].貴州電力技術，2015，18（05）：26-30+33.

[2]李玲娟.混流式水輪機內部固液兩相流數值模擬及磨損預估[D].西華大學，2015.

[3]黃劍峰，張立翔，姚激，龍立焱.水輪機泥沙磨損兩相湍流場數值模擬[J].排灌機械工程學報，2016，34（02）：145-150.

[4]華紅.含沙水中錦屏二級水電站水輪機內部流動及性能預測研究[D].西華大學，2013.

[5]劉梅，宋文武，王興林，徐志堅.二重葉柵不同環量配比對水輪機組性能影響研究[J].中國農村水利水電，2015（08）：184-188.

[6]柯強，劉小兵，周倩倩.混流式水輪機導葉相對位置對其水力性能的影響[J].大電機技術，2016（04）：29-35.

[7]王文全，李偉忠，閆妍.水輪機活動導葉勻速開關過程的三維湍流數值模擬[J].排灌機械工程學報，2017，35（02）：133-137.

[8]陳維勤，鈴木敏曉，陳梁年.混流式水輪機固定導葉的設計研究[J].水電站機電技術，2017，40（01）：8-11.

[9]范江峰，尤莉莎.基于CFD的不同曲率導葉對水輪機內流場影響分析[J].水利科技與經濟，2017，23（10）：22-27.

[10]肖玉紅.混流式水輪機蝸殼·導葉及轉輪內部水流的二維與三維數值模擬比較分析[J].安徽農業科學，2011，39（28）：17613-17615+17627.

[11]段銘鈺，吳承亮，黃逸哲.軸流泵全流道三維定常流場特性分析研究[J].裝備制造技術，2016（06）：28-31.

[12]文哲男，巴德純，鄧文娟，岳向吉.ISIGHT在混流式水輪機活動導葉優化設計中的應用[J].機械設計與制造，2017（05）：5-8.

[13]米紫昊，李太江，李勇.混流式水輪機導水機構損傷三維數值模擬分析[J].人民黃河，2014，36（06）：129-131.

[14]楊光葉.混流式水輪機活動導葉CFD計算分析[J].現代制造技術與裝備，2014（05）：13-14.

[15]劉萬江，魏顯著，韓秀麗，許彬.高水頭混流式水輪機導葉位置關系對水力性能的影響[J].大電機技術，2013（06）：46-48+51.

[16]陳元林，覃大清.導葉雙列葉柵CFD數值計算及結果分析方法研究[J].大電機技術，2013（04）：38-41.

[17]劉勝柱，梁武科，郭鵬程，羅興.導葉雙列葉柵位置對水力性能的影響[J].水利水電技術，2004（01）：63-64+67-95.

[18]齊學義，周慧利，高志遠.含沙水流水輪機兩列導葉相對位置對活動導葉磨損的影響[J].蘭州理工大學學報，2013，39（01）：37-41.

[19]廖翠林，王福軍.X型葉片水輪機轉輪流場的數值模擬[J].水力發電學報，2008（03）：141-144.

作者簡介：劉福春（1990—?），男，漢族，山東德州人，碩士研究生，中級工程師，流體機械及其自動化;張婷（1990—?），女，漢族，山東聊城人，碩士研究生，中級工程師，電氣工程及其自動化;劉超（1989—?），男，漢族，河北保定人，碩士研究生，中級工程師，能源與動力工程;李翔宇（1992—?），女，漢族，河北張家口人，碩士研究生，助理工程師，電氣工程。