基于CFD計算的水輪機蝸殼改型水力設計

【摘要】針對某水電站項目，水輪機原蝸殼模型參數需進行改型設計。本文研究了蝸殼水力設計三種方法的內在聯系，結合該項目技術要求，分別應用等周向平均速度法和給定面積變化規律法對原蝸殼進行改型水力設計，采用CFD方法對原模型蝸殼與改型設計蝸殼對應的三種水輪機全流道進行數值計算，比較了原模型蝸殼與改型蝸殼的計算結果。結果表明：兩種方法所設計的蝸殼水力損失小，水輪機水力效率高，都優于原蝸殼，且滿足水輪機技術性能保證要求，給定面積變化規律法設計的蝸殼水力性能更優秀。

【關鍵詞】水輪機；蝸殼水力設計；水力效率；CFD分析

1、引言

蝸殼是水輪機的重要過流部件，在水輪機水力設計中有著重要地位，其作用是引導水流沿圓周方向均勻進入導水機構，并具有一定量的圓周速度。

本文結合某水電站項目，水輪機蝸殼按模型相似換算后蝸殼進口直徑Φ1482mm，因水輪機結構設計限制，蝸殼進口直徑需增大至Φ1700mm，在其它過流部件不改變前提下，僅對蝸殼進行改型設計，因而蝸殼各殼節斷面的幾何參數需重新進行水力設計。基于計算流體動力學（CFD）方法對所設計的蝸殼與原蝸殼的水輪機全流道進行數值計算，針對蝸殼的改型設計，使設計的蝸殼水力損失小，水輪機水力性能優良，滿足水輪機技術性能保證要求。

2、水輪機蝸殼水力設計方法

本文為蝸殼改型水力設計，前提條件：蝸殼為圓形斷面的完全蝸殼，參數、、、已知。為蝸殼包角，蝸殼進口半徑，為蝸殼殼節與座環搭接點到導水機構水平中心線的距離，為殼節與座環搭接點到轉輪中心線距離；蝸殼第i斷面幾何參數：殼節半徑，殼節圓心到機組中心的距離，如圖1所示，為第i斷面蝸殼包角，第i斷面面積。并假設蝸殼內流動為平面定常流動，蝸殼出流量周向均勻。水輪機蝸殼水力設計常用四種設計方法，針對本電站的蝸殼改型設計，四種設計方法筆者都進行了嘗試。

①等速度矩法：假定蝸殼中的水流按等速度矩（）規律分布，在對蝸殼尾部斷面參數計算時，得出的蝸殼尾部斷面半徑過小，因本電站為低比轉數混流式水輪機組，殼節斷面半徑尤為減小，采用該方法設計的蝸殼多有以渦對形式出現的二次流動，且蝸殼尾部水力損失大。故本文未采用此計算方法。

②等周向平均速度法：假定蝸殼各斷面水流的圓周速度相等（），因改型蝸殼進口斷面尺寸已知，故每個殼節斷面的圓周速度都相等為常數，即，求出斷面面積，可以看出殼節斷面面積是蝸殼包角的正比例函數：。因其它幾何參數已知，斷面面積僅與斷面半徑有關，即：，從而求解出半徑是斷面面積的反函數，即：，中心距：，得出蝸殼斷面幾何參數。

3、數值計算結果及分析

在額定水頭H=142.9m，導葉開度為15度的額定工況下，計算了三種蝸殼對應的水輪機全流道流動，分別命名為原蝸殼1（模型換算，蝸殼進口Φ1481.2）、改型蝸殼2（方法②設計，蝸殼進口直徑Φ1700）、改型蝸殼3（方法③設計，蝸殼進口直徑Φ1700）數值計算結果如表1所示。

對比改型前后計算結果：原蝸殼1的全流道計算水力效率為94.85%，模型綜合特性曲線試驗效率為93.51%，計算誤差在可容許范圍之內。改型蝸殼水輪機過流能力與原蝸殼1基本一致，水力效率則稍有增大，蝸殼段水力損失減小；兩種改型蝸殼水力性能都能滿足水輪機水力性能保證要求，給定面積變化規律法所設計的蝸殼水力損失更小一些。

4、結論

淺析水輪機蝸殼水力設計三種方法：彼此相互關聯，在一定的變換條件下，彼此可相互轉化；通過分析蝸殼改型前后的水輪機全流道CFD計算結果得出：改型蝸殼對固定導葉、活動導葉、轉輪流道的水力性能影響很小，兩種方法設計的改型蝸殼都能滿足水輪機的性能合同保證，采用給定斷面面積法設計蝸殼的水力損失更小些，水輪機水力效率更優秀。

參考文獻：

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