混流式水輪機上冠泄排水聯合降壓數值模擬

貴辛未 牧振偉 夏慶成 李澤發 張治山

(1.新疆農業大學水利與土木工程學院，烏魯木齊 830052; 2.新疆水利工程安全與水災害防治重點實驗室，烏魯木齊 830052;3.新疆天富能源股份有限公司紅山嘴水電廠，石河子 832000)

0 引言

在設計和改造混流式水輪機過程中，采用合理的上冠泄排水降壓結構對其運行效率和主軸密封性能的提高具有顯著影響。電站為降低水輪機上冠頂部水壓力常采取多類結構措施，從而達到改善主軸密封工作條件以及減小轉輪軸向水推力的目的。

近年來，電站在實際運行中發現各類上冠泄排水降壓結構均存在一定優缺點，不同型號水輪機上冠泄漏水的排泄方式也不同。水輪機上冠流道的泄漏水為間隙流動，國內外學者在該方面的研究取得了一些成果[1-2]，研究內容主要集中在頂蓋取水技術應用是否成功、上冠間隙泄漏水對水輪機性能的影響[3-7]。

目前諸多學者多以某一類特定且單一的上冠降壓結構作為研究對象，探究上冠間隙流動對水輪機性能的影響，而對不同工況下常見的上冠泄排水降壓結構措施統籌考慮，分析各類結構對水輪機性能影響及其聯合降壓效果的研究較少。

隨著計算機的發展，目前采用計算流體動力學(CFD)模擬水輪機間隙流動的技術已較為成熟[8-14]，故本文利用CFD技術，結合紅山嘴水電站工程實例，將4類不同的混流式水輪機上冠泄排水降壓結構作為研究對象，建立不同的流體計算域模型，探究不同類型結構對上冠流道內泄漏水流態、主軸密封壓力、上冠軸向水推力以及梳齒環密封能力的影響。

1 計算模型及方案

1.1 技術參數及結構模型

本文以新疆紅山嘴一級電站4號水輪機為例，其主要技術參數：設計水頭為104 m，單機流量為17.28 m3/s，額定轉速為375 r/min，單機容量為 16 MW。

目前國內外混流式水輪機上冠泄排水降壓結構主要可歸為4類：僅在頂蓋上方設置排水管、僅在上冠開設泄水孔、上冠泄水孔和頂蓋排水管聯合降壓結構、上冠增設轉輪泵的聯合降壓結構。以上4類結構的剖面圖如圖1所示。

圖1 不同上冠泄排水降壓結構圖

1.2 實驗方案

本文將不同的轉輪上冠降壓結構作為研究對象，針對4類結構在7種流量下展開數值模擬。根據上冠間隙的進口特點，不同流量可由泄漏水進入上冠間隙前的軸向速度來反映，軸向速度Vz取15、17、19、21、23、25、27 m/s，故計算工況共計28個。

1.3 計算域模型及網格劃分

現階段紅山嘴水電站4號機組上冠降壓措施為第Ⅳ類結構，如圖2所示。根據真機幾何參數，建立4類不同的轉輪上冠降壓結構計算域模型，因轉輪上冠腔體內的泄水孔、頂蓋排水管以及泵葉均為對稱布置，故可取轉輪上冠1/4的單流道作為計算域，同時可節省運算資源，提高工作效率。不同計算域模型如圖3所示。

圖2 真機結構模型

圖3 不同降壓結構的計算域模型

針對4類不同的計算域模型，均利用ICEM軟件對其各自的部件進行結構化六面體網格劃分，最后再組裝[15-18]。網格劃分過程中考慮到轉輪上冠為環形結構，采用了2D轉3D塊的方法，避免了繁瑣的“O” 型網格關聯，并形成了0.8以上的高質量網格。另外對計算域模型1.5 mm密封間隙作局部加密處理，與其周圍網格以Bigeometric方式1.2比例進行光滑過渡。因第Ⅳ類泄排水降壓結構最為復雜，故以此為例，顯示計算域網格劃分效果，如圖4所示。

圖4 第Ⅳ類結構網格劃分圖

正式計算前需對所有計算域模型進行網格無關性檢驗。以第Ⅳ類結構為例，當其網格節點為4.629 3×106時，主軸密封下側壓力、上冠軸向水推力、梳齒環進出口壓差3個指標變化范圍均在2.1%以內，滿足計算要求，如圖5所示。另外，因其他類型計算域模型結構各不同，故劃分網格過程中，將各結構包含的每個部件按與第Ⅳ類結構各部件網格數量保持一致處理，即可避免因網格數量造成仿真誤差。

圖5 網格無關性檢驗

1.4 邊界條件

根據水電站實測數據等資料，以水輪機額定水頭104 m和額定轉速375 r/min下最大輸出功率為計算工況。

入口邊界：由于轉輪上冠流道內的泄漏水均來自上冠間隙和主軸密封，故4類模型的入口條件相同。設置主軸密封下側進口流量Q為零、上冠間隙設置為速度進口，泄漏水在進入上冠間隙前包括圓周速度Vu和軸向速度Vz，根據頂蓋取水公式[19-20]

(1)

(2)

式中Hth——理論水頭g——重力加速度

u1——轉輪進口泄漏水的圓周速度

ΔH——間隙兩端壓力差

η——間隙進口圓角系數，一般取0.5～0.9

λ——沿程阻力系數

L——間隙長度b——間隙寬度

經計算，Vu為定值28 m/s；Vz取15、17、19、21、23、25、27 m/s，該范圍已包含正常工況下所有泄漏量。

出口邊界：因4類轉輪上冠泄排水降壓結構的出口形式不盡相同，故出口邊界需單獨設置。Ⅰ類結構因僅有頂蓋排水管出口，故其出口設置為 0.1 MPa 的開放式邊界；Ⅱ類結構出口僅有泄水錐，根據尾水出口位置建立伯努利方程，可求得泄水錐出口開放式邊界條件的壓力為0.007 408 MPa；Ⅲ 類結構作為Ⅰ類結構和Ⅱ類結構的聯合降壓措施，其包括頂蓋排水管和泄水錐兩個出口，分別設置為 0.1 MPa 和0.007 408 MPa的開放式邊界條件；Ⅳ類結構較Ⅲ類結構主要增加了轉輪泵，對整個計算域出口并無影響，故其采用與Ⅲ 類結構相同的出口邊界條件。

壁面邊界：壁面條件采用無滑移邊界條件。

其他邊界：各降壓結構計算域所涉及到的動靜交界面均采用冰凍轉子法[21-22]。另外計算收斂精度設置為10-4。

為表達計算域邊界條件具體位置，以第Ⅳ類結構為例進行說明，如圖6所示。

圖6 第Ⅳ類結構計算域邊界條件

2 結果分析

為驗證模型可靠性，以該電站現階段采用的轉輪泵降壓結構(Ⅳ類結構)為例，設置上述邊界條件數值計算。以頂蓋排水管出口壓力為驗證指標，數值計算結果0.592 MPa與現場實測值0.580 MPa相比，相對誤差為2.07%，模擬結果與電站實測值吻合，符合計算要求，故在此基礎上，再對其他各類型的降壓結構數值模擬。通過對比分析，重點探究各結構的優缺點以及轉輪上冠聯合降壓結構優化的可行性。

2.1 流態分布

為探究混流式水輪機不同泄排水降壓結構對上冠流道內泄漏水流態的影響，首先將4類結構在不同泄漏量下(Vz=15 m/s、Vz=21 m/s、Vz=27 m/s)的流速場進行對比分析，如圖7～10所示。

由圖7可知，隨著上冠間隙泄漏量的增加，梳齒環出口前的流態變化較小，集中表現為泄漏水在經過上冠間隙時動能增大，隨后進入梳齒環腔內后形成典型的旋渦會消耗大部分能量。當泄漏水從梳齒環出口流出時，因上冠流道斷面面積逐漸增大，泄漏水動能會逐漸降低，呈內低外高階梯式分布。

圖7 僅頂蓋排水管降壓結構二維流線圖

另外泄漏量的增加對轉輪上冠流道高壓區域影響較大。主要表現為在高壓區域會形成兩個大小不同的旋渦。當泄漏量較小時，內側旋渦較大，隨著泄漏量的增加，外側旋渦會逐漸占據上冠高壓區域，呈現出向內側移動趨勢，這是因為泄漏水受到無滑移壁面邊界層的影響，產生的不均勻逆壓力梯度導致回流現象。

由圖8可知，隨著上冠間隙泄漏量的增加，僅含泄水孔單一降壓結構的梳齒環進出口流態分布情況與僅含頂蓋排水管單一降壓結構的類似。主要區別表現為泄漏水在泄水孔內呈螺旋狀流入泄水錐，且因轉輪的高速旋轉使得泄漏水進入泄水錐后流態更為紊亂，此過程中流速整體呈逐漸減小趨勢。

圖8 僅泄水孔降壓結構二維流線圖

由圖9可知，泄漏水在上冠流道局部高壓區形成一個較大旋渦且渦量隨Vz的增大而增大，在進入泄水錐后流態基本相同。在頂蓋排水管和泄水孔的雙重作用下，泄漏水在上冠流道內及泄水錐內部流速會有所降低，但水力損失仍然較大。該結構較單一形式的降壓結構具有更好降壓效果及穩定性。

圖9 頂蓋排水管和泄水孔聯合降壓結構二維流線圖

由圖10可知，上冠增設了轉輪泵(泵葉和泵蓋)，對上冠空腔泄漏水流態有顯著影響。泄漏水首先經梳齒環后沿著泵蓋上腔進入泵蓋下腔，隨后泄漏水分為兩個途徑排出，其中一路在轉輪泵泵葉加壓作用下經頂蓋排水管排出，另一路經泄水孔進入泄水錐流出且流態穩定。

圖10 含轉輪泵聯合降壓結構二維流線圖

隨著泄漏量的增加，上冠流道內泄漏水流態整體變化較小，這主要因在多項聯合降壓措施下，上冠流道內壓力重新分布，使得泄漏水被高效穩定排出。同時由于轉輪泵的離心作用，降低了主軸密封下側壓力，來自主軸密封腔體內的泄漏水更易被吸入泵腔并及時排除，因此含轉輪泵的泄排水降壓結構不僅可降低水輪機軸向水推力還可延長主軸密封的使用壽命。另外，可發現若進一步調整轉輪泵的泵葉或泵蓋的參數將更接近優化目的。

2.2 主軸密封壓力分析

水輪機主軸密封漏水是電站常見難題。尤其對泥沙量較大的紅山嘴電站而言，最突出的問題就是主軸密封使用壽命很低，洪水期維修頻率高達每周一換，嚴重影響運行效率。該一級電站采用轉輪泵結構泄排水降壓裝置后表現出理想效果。不同泄排水降壓裝置對主軸密封的影響不容忽視，因此本文將主軸密封下側壓力作為研究指標之一。主軸密封下側絕對壓力用p1表示，該值越小說明越有利于主軸密封處更多泄漏水被吸入上冠空腔內，對主軸密封工作環境越有利。

不同泄排水降壓結構的主軸密封下側壓力變化特性曲線如圖11所示。

圖11 主軸密封下側壓力變化特性曲線

由圖11可知，4類不同的轉輪上冠泄排水降壓方式所引起的主軸密封壓力均隨Vz的增大呈增長趨勢，說明無論哪類結構，泄漏量的增加對主軸密封壓力均不利，軸向速度Vz是影響主軸密封腔體壓力的直接因素，水電站在主軸密封改造過程中可采取減小上冠間隙尺寸等措施解決漏水問題。將4類不同降壓結構在不同泄漏量下對主軸密封壓力的影響對比可知，僅頂蓋排水管或僅泄水孔的單一降壓結構的主軸密封下側壓力，隨著泄漏量的增加平均變化幅度較為明顯，分別為58%和68%，而頂蓋排水管及泄水孔聯合結構或含轉輪泵降壓結構的主軸密封壓力平均變化幅度較為平緩，僅為37.6%和39.8%，可見在不同泄漏量下，后者更有利于主軸密封壓力穩定。

另外，在同一泄漏量下將4類不同降壓結構對主軸密封壓力的影響進行對比，可發現降壓效果從優到劣依次為：轉輪泵降壓結構、頂蓋排和泄水孔聯合泄排水降壓結構、僅泄水孔降壓結構、僅頂蓋排水管降壓結構。諸多電站采用含轉輪泵的降壓結構對改善主軸密封工作條件顯出一定優勢，因為來自主軸密封以及上冠間隙的泄漏水經轉輪泵泵葉區加壓后，經頂蓋排水管可快速排出；另外，上冠流道低壓腔未及時排除的多余泄漏水又可通過泄水孔下泄至泄水錐，最后經泄水錐排至尾水，轉輪泵降壓結構的雙重作用使得主軸密封下側長期保持較低壓力，更有利于主軸密封的泄漏水及時排出。頂蓋排水管和泄水孔聯合泄排水降壓結構與含轉輪泵的降壓結構相比降壓效果平均下降15.98%，這是因為缺少轉輪泵的加壓作用，該結構對于含泥沙量較大的機組不建議使用。僅頂蓋或僅泄水孔的單一降壓結構對主軸密封降壓效果較差，這主要因為開孔數量或幾何結構參數不合理，導致泄漏水不能被及時排出，甚至還會經主軸密封腔體出現上溢。

經對比可知，混流式水輪機轉輪上冠增設轉輪泵對主軸密封壽命的提高具有顯著作用，尤其對于含泥沙量較大的機組更為適宜。

2.3 上冠軸向水推力對比分析

降低水輪機軸向水推力可減輕其軸承負荷，延長軸油封及軸承使用壽命，故不同泄排水降壓結構對水輪機上冠軸向水推力的影響也是該研究的重要指標。

水輪機上冠軸向水推力用F表示(規定向下為正方向)，該值越小說明上冠空腔內的水壓越低，更利于降低上冠軸向水推力。不同泄排水降壓結構的上冠軸向水推力變化特性曲線，如圖12所示。

圖12 上冠軸向水推力變化特性曲線

由圖12可知，隨著泄漏量的增加，4類不同泄排水降壓方式所引起的上冠軸向水推力均呈增長趨勢。尤其僅頂蓋排水管降壓結構引起的上冠軸向水推力較大且平均變化幅度為17.1%，原因是頂蓋排水口數量不足或孔徑過小，泄漏水進入上冠空腔后因頂蓋排水管的限制不能被及時排除，在上冠空腔內大量累積，從而大幅度增大了向下的軸向水推力；同時說明若采用此降壓結構需通過增加梳齒環的密封性能或減小上冠間隙寬度的措施來滿足降壓要求。

在相同泄漏量下，僅泄水孔降壓措施與僅頂蓋結構降壓措施相比所引起的上冠軸向水推力較小，但不是最優，這主要是因泄水孔數量或安置角度不適引起的，以上兩類單一的泄排水降壓措施對減小轉輪上冠軸向水推力效果一般，故工程中常采用頂蓋排水和泄水孔聯合的泄排水降壓措施，其效果突出且軸向水推力受泄漏量影響的平均變化幅度為11.03%。

對于含轉輪泵結構的泄排水聯合降壓措施，由于其泵葉的增壓作用提高了上冠空腔泄漏水的排出效率，它較一般的聯合降壓結構可使上冠軸向水推力平均降低52.99%。另外，該結構引起的上冠軸向水推力受泄漏量的變化影響較小，平均變化幅度僅達3.12%。隨著電站運行，轉輪上冠間隙必會增大，從而致使泄漏量增加，而含轉輪泵的泄排水降壓結構較其他降壓結構產生的軸向水推力不會出現較大幅度波動，更有利于機組穩定運行，故建議在中高水頭混流式水輪機組上推廣使用含轉輪泵的泄排水聯合降壓結構。

2.4 梳齒環進出口壓差分析

水輪機上冠軸向水推力以及主軸密封壓力均與經梳齒環的泄漏水量有直接聯系，為增強梳齒環密封性能，從根本上減少泄漏水量，提高水輪機運行效率，故將4類不同的上冠泄排水降壓結構對梳齒環進出口壓差的影響作為研究指標之一。

梳齒環進出口壓差用p2表示，該值越小，說明越不利于間隙泄漏水進入上冠空腔。不同泄排水降壓結構的梳齒環進出口壓差變化特性曲線如圖13所示。

圖13 梳齒環進出口壓差變化特性曲線

由圖13可知，4類不同的上冠泄排水降壓方式所引起的梳齒環進出口壓差均隨著軸向速度Vz的增加呈較大幅度增加，可見上冠間隙泄漏水量嚴重影響梳齒環的密封性能。另外，不同泄排水降壓結構在同一泄漏量下的梳齒環進出口壓差變化幅度很小且穩定，這說明無論采用4類泄排水降壓結構的何種類型對梳齒環進出口壓差造成的影響均較小，故在實際工程中若要增強梳齒環的密封性能，從根本上減少上冠間隙泄漏量，還需在梳齒環自身結構上采取改造措施才可達到優化目的。

考慮到不同上冠泄排水降壓結構對梳齒環進出口壓差的影響較小且紅山嘴電站主要是以提高水輪機主軸密封性能以及減小上冠軸向水推力為改造目標，故采用含轉輪泵的泄排水降壓結構為最優方案。

3 結論

(1)中高水頭混流式水輪機不同的泄排水降壓結構對上冠流道泄漏水流態分布存在一定差異，主要集中在高壓腔和泄水錐區域，另外，含轉輪泵的聯合降壓結構較其他結構流態更加穩定。

(2)在中高水頭混流水水輪機上冠采用含轉輪泵的聯合降壓措施對降低主軸密封內腔壓力、減小上冠軸向水推力、減少上冠間隙泄漏量具有顯著效果。

(3)針對新疆紅山嘴一級電站主軸密封漏水問題，建議電站采用含轉輪泵的聯合泄排水降壓結構，該結構可使主軸密封下側壓力平均降低15.98%左右，更有利于泄漏水被吸入上冠空腔，延長主軸密封的使用壽命。

(4)該電站機組采用含轉輪泵的聯合降壓結構，可使上冠軸向水推力平均降低52.99%左右，有效降低主軸軸承及軸油封的磨損程度。