基于CFD的混流式水輪機內部流道優化設計研究

楊 峰，王 旭

（電子科技大學成都學院，成都 611731）

0 引言

對于水電站來說，若機組的過流部件設計不當，容易導致運行時內部流場出現水力特性不佳的情況，其結果是直接造成過流部件的破壞失效，同時影響發電的效率，繼而導致電站的經濟效益下降。所以，對水輪機過流部件進行優化設計，改善內部流場的水力特性、提升機組的發電效率，對于減輕過流部件的破壞程度、提升機組的運行穩定性以及提高電站的經濟效益都具有良好的價值。

在水輪機的優化改進方面，國內各高校和企業都做了許多嘗試。例如：文獻[1]將水輪機轉輪葉片的弧線作為研究對象，探究了轉輪葉片弧線的類型與氣蝕性能之間的關系，并將其作為葉片翼型優化的依據；文獻[2]通過模型試驗研究尾水管渦帶產生的原因，為尾水管的優化設計提供借鑒依據。

綜合上述研究可以發現，在水輪機的優化改造中，主要結合電站的水紋特征，對機組的主要過流部件（如轉輪葉片、尾水管等）進行修型，達到改善水力性能的情況較多。在優化設計中，對導水機構進行改進的情況較少。但實際上，水輪機內部流場的流態通常情況下比較復雜，能夠影響流場性能的因素較多。其中，導水機構作為調節流場的核心部件，對流態、部件失效程度、機組效率、出力等方面的影響也較大[3]。因此，本文針對某電站的水輪發電機組進行優化改造時，擬對導水機構和尾水管進行優化設計，達到降低零部件破壞失效程度，提升效率的目標。

1 項目概況

以某水電站混流式水輪機發電機組為例，該機組的轉輪直徑為1 m，活動導葉數量為16個，額定水頭為145 m，額定流量為Q=2.615 m3/s。自2017年投入運行以來，始終存在流態不佳、機組噪音較大、振動頻繁、發電效率未達到預期值等問題。在對機組進行例行檢修時，發現轉輪葉片的頭部存在破壞嚴重的問題。在機組運行時，轉輪區域的流場存在不順暢的問題，在葉片頭部區域出現回流、旋渦以及氣蝕等情況的概率較大。同時，由于尾水管內部流場存在壓力脈動、渦帶等情況，導致機組的振動頻繁，且產生了較大的噪音。

2 優化改進措施的提出

根據水輪發電機組內部流場的運行規律可知，轉輪葉片的頭部區域出現失效破壞，主要是由于導水機構的出流端的水流流態不佳，繼而當水流從導水機構進入轉輪時，出現了速度壓力的軸向分布規律不佳、旋渦、回流等問題，造成了葉片頭部的失效破壞[4]。因此，根據電站的水頭、流量、機組的出力等參數特征可以判斷，該機組的活動導葉葉片數量設計不合理，導致導水機構的出流流態不順暢。同時，尾水管的流態也對整個機組的效率、出力等造成了一定的影響[5]。因此，提出的優化措施為：根據機組轉輪的尺寸、出力、電站水頭等參數與活動導葉數量的關系，將導葉數量由原來的16個增加到20個。同時，將原尾水管進行更換，采用基于新工藝和新材料的尾水管。

3 CFD數值計算結果分析

為驗證改進后的效果，對改進前后的機組模型進行CFD數值計算，預判其水力性能。

3.1 前處理操作

在前處理操作中，主要從幾個步驟進行：

1）三維模型的建立。根據機組過流部件的設計尺寸和結構，分別構建改造前后的三維流場模型。

2）湍流模型的確定。在該環節中，由于機組的內部流場具有不可壓縮粘性的屬性，且機組內部流場以彎曲流動的情況較多，故在數值計算中，擬選擇RNG k-ε模型為湍流模型。

3）邊界條件設置。對于水輪發電機組的全流道而言，邊界條件設置方式為：將蝸殼進口截面設置為質量進口邊界條件，尾水管出口端設置為自由出流邊界條件。

3.2 計算結果后處理

以額定工況為計算工況進行數值計算，計算結果如下所示。

1）流場速度分析

從圖1-4所示的改造前后的流速分布情況來看，改造前的機組內部流態情況不佳，水流從蝸殼流入，至導水機構時，出現了流線不暢的情況，尤其是在導水機構出流端，其流態雖然能夠基本保持環向對稱，但從蝸殼至導水機構的流場速度差較小，該現象表明能量的轉化率偏低，由此也影響了機組的發電效率。同時，當水流流至轉輪葉片頭部附近，出現了明顯的回流和旋渦現象，這就是造成葉片頭部區域破壞的主要原因，同時也導致轉輪內部流場進一步惡化，影響了機組的出力。而改造后的機組流場情況來看，水流的順暢性較之前者有了顯著的提升，在活動導葉的出水端，水流速度的環向均勻分布程度較之改造前更佳，水流從蝸殼到導水機構，其流場的速度差較之改造前有了明顯增加，說明導葉數量增加后，機組的能量轉換效率也得到了較大的改善。同時，在轉輪葉片的頭部區域，旋渦和回流現象基本消失，表明流場的速度分布情況得到了較大的改善。

圖1 轉輪區域流線分布（改造前）

2）流場壓力分析

由圖5所示改造前的流場壓力分布情況來看，沿蝸殼進口至轉輪出口，水壓呈逐漸減小的趨勢，基本符合水輪機內部流場的水壓分布規律。但是，水流自進入蝸殼環段以來，至固定導葉、活動導葉、轉輪等過流部件時，過流部件的壓差較大，導致能量損失較高，流態比較復雜。

圖2 轉輪區域流線分布（改造后）

圖3 全流道流速分布（改造前）

圖4 全流道流速分布（改造后）

圖5 流場壓力分布（改造前）

與此同時，由圖6所示的改造后的流場壓力情況來看，其梯度分布的規律比較明顯，流場的壓差較小，且環向分布均勻。且轉輪區域沒有負壓，因此主要過流部件發生氣蝕的可能性較小。即增加導葉數量后，機組的抗氣蝕性，有了明顯的提升。

圖6 流場壓力分布（改造后）

3）尾水管流態分析

改造前后的尾水管內部流態情況如圖7和8所示。對比改造前后的尾水管流場可知，改造前的尾水管流場中，轉輪的出水端形成了一定的速度環量，在尾水管進口附近的錐管中有強度較高的渦帶和偏心渦帶。而改造后的尾水管，其整體的流態狀況有了一定的改善。在錐管段區域，雖然渦帶依然存在，但是其整體的強度水平較之改造前已經顯著下降，且偏心渦帶已經基本消失。

圖7 尾水管流場分布（改造前）

圖8 尾水管流場分布（改造后）

對比改造前后尾水管的能量損失情況，如表1所示。

表1 尾水管能量損失預測

從表1所示的數據來看，額定工況下，新的尾水管的能量損失約為2.1m水頭，而改造前的尾水管能量損失為1.6m水頭，二者僅相差0.5m水頭，從這個角度來看，改造前的尾水管略優于新尾水管。但是由于二者的偏差比較小，故該偏差可以忽略。

綜上所述，在對原機組進行優化設計中，采取增加活動導葉的數量和更換新尾水管的改進方案后，該水輪發電機組的流態、效率、出力等指標較之改造前，均有了較大的提升，達到了預期的優化設計目標。

4 真機測試

該優化設計措施已被電站采納和實施，并于2019年開始投入運行。通過對機組的運行情況進行監測，真機測試的改造前后比較情況如表2所示。

表2 改造前后機組運行情況比較（額定工況）

從改造后機組的運行情況來看，雖然轉輪葉片頭部也存在失效破壞的情況，但是較之改造前，其程度已經由原來的嚴重變為了輕微。同時，對于轉輪葉片整體而言，由氣蝕產生的破壞程度，也由改造前的中等破壞水平變為了輕微。且噪音、發電效率以及共振破壞等參考指標均有了比較顯著的改善。由此說明，增加導葉數量和更換尾水管的優化改進措施，是行之有效的?；窘鉀Q了文章第1節中所描述的機組運行問題。

5 結語

對于某混流式水輪發電機組在運行中存在的轉輪葉片破壞嚴重、噪音較大、振動頻域大等問題。采取增加活動導葉數量和更換尾水管的方式進行優化設計，通過CFD分析和真機測試，結果表明改造后的機組流態得到了優化，機組的效率也提升明顯，且由旋渦、氣蝕、共振等因素造成的機組零部件破壞程度減輕。說明本文提出的優化設計方案對于該機組而言是比較合理的。下一步工作，將繼續優化轉輪型線，力爭達到更優的增容改造效果。