發電設備流體動態數值解析高新技術的開發應用

哈爾濱電機廠有限責任公司 劉清勇

0 前言

通常認為，水輪機蝸殼向固定導葉和活動導葉提供的水流應當是一樣的，然而事實并非如此。由于蝸殼中的水流轉彎產生二次流，從而導致圓周方向和高度方向流態的明顯不同。進而引起不等的水力損失。蝸殼中水流轉彎處的水力損失主要是由于固定導葉的尾流引起的，特別是在蝸殼轉角120。附近的水力損失較大。為了減少這種損失，提高水輪機效率，就必須掌握流道內部流態，明確損失發生機理，比較準確地找出發生水力損失的具體部位。通過數值計算進行流體的動態解析最早出現于1931年，直到80年代隨著計算機技術、圖形處理和數值算法的迅速發展才被開發成為工程應用軟件，并在系統工程中得到集成應用和實現了商業化。

1 開發歷程

雖然流體動態解析技術的發展已有70多年的歷史，但是借助于計算機進行這種解析卻是最近20多年的開發結果（表1）。

2 基本方法

2.1 一維二維解析

表1 流態解析技術開發歷程

采用微機進行流體動態解析的一維方法是在80年代開發和應用的。它以水力損失模型為基礎，對水輪機整體進行一維、后來是二維解析，提出轉輪軸的入口和出口設計。由于對流場的假定不能夠滿足水流的運動方程，沒有考慮轉輪本身的轉動和轉輪中速度環量分布對流場影響，與實際情況有較大的偏離，致使轉輪試驗結果與設計預期值的偏差較大。

2.2 準三維有勢解析

大約在1988年，出現了準三維有勢解析方法，它不僅考慮了連續方程和能量方程，還考慮了水流的運動方程，可使計算出的軸面流場更加符合實際情況，從而可提高轉輪設計計算的正確性。但是這種方法僅限于轉輪，麗不包括其它部件在內的水輪機整體。這種方法可在綜合二維解析情況下得到轉輪葉片人口和出口的平均曲面設計。

2 .3 二維歐拉解析

采用歐拉方程法的三維解析大約出現在90年代，它考慮了大規模渦流，能在流線上以速度分布為蒸準來實現轉輪葉片翼型設計的最優化。

2.4 三維紊流解析

能夠考慮到粘性來預測轉輪水力損失的三維紊流解析法大約在1995年出現，起初只限于轉輪，很快又擴大到導葉。它使轉輪實現了考慮了流態粘性的三維設計。粘性較大的部位在流道內壁表面附近，對此可通過劃分更加細密的網格來提高解析精確度。

2.5 非正常流態解析

考慮到非正常流態引起的水力損失的三維紊流解析方法的開發和應用是最近幾年的事。水輪機中影響最大的非正常流態是導葉和轉輪葉片的葉柵干涉引起的，特別是導葉的粘性后流和轉輪葉片水力損失發生機理的關系，仍在深入探討。這種解析方法已考慮到葉柵流道的干涉來預測水輪機的整體性能，同時它又考慮到上下游水流而采用新概念的優化設計方法。

3 解析流程

為了實現高效率水輪機設計，首先應進行下述性能預測并需經過新型式大比例低轉速試驗裝置的驗證。 采用流態解析的水輪機設計和性能預測流程如下：(1)水頭，流量，轉速；(2)轉輪入口和出口速度三角形(輸入基本數據)；(3)一維損失解析；(4)第一次性能預測[不滿意就返回項(2)，重新進行]；(5)固定導葉、活動導葉、轉輪葉片剖面圖設計(輸入基本數據)；(6)雙重葉柵、轉輪葉片、邊界層計算、歐拉流體動態解析；(7)葉柵整體流態粘性；(8)第二次性能預測[輸入蝸殼、尾水管損失計算，不滿意就返回項(5)，重新進行]；(9)水輪機整體流態粘性解析；(10)第三次性能預測[不滿意就返回項(5)，重新進行]；(11)葉柵干擾解析；(12)結構、振動評價；(13)制成模型圖。上述解析結果因網格形狀、紊流模型的選擇方法和給定的邊界條件的不同而異，要求對解析結果加以驗證，對解析精度也需加以確認。網格劃分的細密化有助于提高解析精度。同時采用先進的非接觸式(掃描)測量手段，具有較高的時問和空間分辨率，測量精度很高。

4 主要優點

采用流體動態解析軟件新技術進行水輪機的設計和性能預測的主要優點是效率高、精度高和開發周期短。它能準確地找出發生水力損失的具體部位及其產生機理，從而可采取針對性措施來減少損失和提高效率，通常可提高1個百分點以上。由于網格劃分節點數目增加了千倍以上，使解析精度電大為提高。以前的方法是通過模型試驗測量內部流態，找出損失發生部位，然后進行流道、葉柵改進。

與傳統的模型試驗和畢托管測流法相比，由于實現了數據可視化和圖形的后處理，便能更準確、更細致地描繪出流體的速度、壓力等物理量的分布情況，因而能大幅度縮短水輪機的開發時間，更準確地預測其性能，更完善地實現優化設計，甚至把效率提高到能達到的最高值。進一步提高水輪機效率的方法是：(1)通過三維解析、低速旋轉摸型試驗，掌握流道內部流態，明確損失發生的機理；(2)通過CAE系統、優化設計工具，進行最低損失的葉柵、流道設計；(3)根據摸型性能試驗、整體流態解析、低速旋轉試驗，驗證整體性能。

5 應用效果

5.1 發電機

等效風路法是將直流電器回路中的基爾霍夫法則套用于通風冷卻風路的方法，它是目前最廣泛應用的，可以掌握風路內的流態，提高冷卻性能的精度。然而該法是以真機或實驗等經驗數據為基礎，其精度不能超出經驗范圍，要想進一步提高精度，只能采用流態解析法。流體動態數值解析法以描述質量守恒、動量守恒、能量守恒的基本方程為基礎，能彌補單憑經驗進行設計時的不足，是優化設計的有效工具，也是網絡法的補充手段，也可獨立作為一種工具來計算流體傳熱、溫度甚至通風損耗，它的解析精度較高。

采用流體動態數值解析法進行通風冷卻設計的世界單機容量最大的三峽（右岸）700MW機全空冷巨型水輪發電機，徹底打破了外商的價格壟斷，大幅度降低了制造和維護成本。機組運行實踐證明：這種產品結構簡單，風量足夠，風量分配合理，通風損耗較低，溫升分布均勻，安裝周期縮短，調試方便，運行安全可靠，檢修維護容易，運行成本較低，很受用戶和市場歡迎。

5.2 水輪機

這種先進技術能把水輪機的性能提高到它所能達到的最高值。最近在開發水利條件非常苛刻的貴州烏江構皮灘水電站機組時，所研制的水輪機轉輪在國際聞名的、作為中立方的瑞士落桑水力機械研究所進行模型驗收試驗的結果證明，最高效率竟達95.16%，居世界領先水平。

6 結論

自主創新開發應用的流體動態數值解析高新技術，在大電機通風冷卻、水輪機、風輪機性能提高方面發揮重大作用。程序本身也在提高，需要我們不斷創新開發、擴大應用。