土耳其Cermilker電站水輪機尾水管設計方法的研究

趙紹勇

（東方電氣集團 東風電機有限公司，四川 樂山 614000）

尾水管是水輪機重要的過流部件，主要的作用[1]是使轉輪出口處水流壓力下降，造成真空，來收回水流離開轉輪時的部分動能和收回轉輪高出下游水面的那一段位能。由此可見，其水力性能的優越與否，直接關系到整機的運行效率。因此，要在設計中保證尾水管的高性能，顯得尤為重要。必須根據電站的實際情況（如最大流量Qmax、平均流量Qav、水頭H等），選擇合理的尾水管類型，然后才能建立其模型，并進行流場數值模擬，預估它的性能。因此，本文在土耳其Cermilker電站的混流式水輪機尾水管設計中，選擇了合適得參數，建立了光滑的尾水管模型，再進行了數值模擬，設計出了性能良好的尾水管。

1 尾水管類型的選擇

通常情況下，水輪機尾水管設計的首要步驟，是進行選型。具體的操作分為兩步：（1）結合電站的相關測量參數，確定轉輪直徑D、轉速v、效率η并選擇合理的機組型號；（2）根據機組型號，選擇與之對應的尾水管類型（如直錐式、彎肘式等）。在土耳其Cermilker電站的尾水管類型選擇中，由于機組型號在此之前已經確定為混流式。因此，按照上述方法，應該選擇的尾水管的類型為彎曲形[1]，當量錐角計算公式為：

2 尾水管模型的構建

圖1 尾水管流線圖

圖2 尾水管流場模型

尾水管流道模型可以看做是空間中的多個平面按照一定規律排列的橋接體。因此，模型的建立，主要是針對各肘管斷面來進行的，即光滑的非規則曲面搭接相鄰斷面，使之成為一個整體。土耳其Cermilker電站尾水管模型建立的步驟是：（1）根據文獻[2-3]的方法，計算各斷面尺寸；（2）在空間中的對應位置，繪制平面草圖，組成尾水管單線圖（如圖1所示）；（3）按次序搭接相鄰斷面，生成尾水管流場模型（如圖 2所示）。

3 尾水管流場計算機仿真

3.1 湍流模型的確定

根據電站的水紋參數條件，在數值計算中，湍流模型采用標準kε雙方程模型[3]，計算方程式如下：式中，μt為湍流渦粘系數，k為湍流脈動動能，ε為湍流耗散率，Gk

是由于平均速度梯度引起的湍動能k的生成項。

3.2 計算結果分析

圖3 進口速度給定

圖4 壓力分布圖

尾水管的水力性能的模擬，首先，要對模型劃分網格[4]，即空間離散操作；然后，設置邊界條件（對本模型而言，需要設置速度進口和自由出流兩個邊界條件，進口速度給定如圖3所示）；最后，展開數值模擬計算，尾水管的流場數值計算結果如圖4～圖5所示。

結果分析：

（1）由圖4所示，尾水管流場的壓強分布狀態為：進口至出口由小到大，且變化呈均勻狀態，斷面壓強逐級的變化過程中壓差很小，水頭損失較小，效率較高。

（2）由圖5所示，速度由進口至出口呈由小到大的均勻變化規律，沒有回流現象的出現，流態很好。

綜上所述，該電站水輪機尾水管性能非常良好，符合設計要求。

4 結論

本文以電站實際測量參數為依據，確定了水輪機轉輪的型號，選擇了彎肘形尾水管，并計算出了各個斷面的參數。然后，根據這些參數建立了尾水管的三維流場模型，并進行了數值仿真模擬。良好的仿真結果驗證了設計方案的合理性。但是，本文采用的設計方法，還是主要以理論計算為主，缺乏水力模型試驗這一環節，產品性能偏差狀態無法了解。因此，該設計方法也存在著一定的局限性。未來的設計過程中，需要結合模型試驗的數據進行對比，從而達到完善尾水管設計方案的目的。

［1］程良駿.水輪機[M].北京:機械工業出版社,1981.

［2］王旭,潘嶠,等.基于CATIA的土耳其Bagistas電站水輪機尾水管三維造型方法的研究[J].能源與環境,2011(5)：52-53.

［3］王旭,潘嶠,等.土耳其Cermilker電站轉輪室設計方案的對比研究[J].機電技術,2011(4):127-129.

［4］王福軍.計算流體動力學分析[M].北京:清華大學出版社,2004.

［5］Wissink J G.DNS of Separating Low Reynolds Number Flow in a Turbine Cascade with Incomineg Wakes[J].International Journal of Heat and Fluid Flow，2003,24(4):626-635.