混流式水輪機內部流動數值模擬

摘要：為探究混流式水輪機內流場變化規律，對某電站水輪機全流道進行數值模擬研究。對流場求解三維時均NS方程和RNGkε湍流模型，得到三種工況下水輪機流道內水流的壓力及跡線變化規律。結果表明，在設計工況下，各水力部件能較好配合，水力性能良好；在偏離設計工況運行時，各水力部件水力性能有不同程度的下降，各部件之間的配合欠佳，其結構設計有待改進。研究結果對水電站的實際運行有一定參考價值。

關鍵詞：混流式水輪機；內部流動；數值模擬；全流道；流場

1 概述

水輪機作為水電站的主要動力設備，其性能好壞直接影響水電站的安全、高效運行 [1]。近年來隨著水輪機組的容量及比轉速不斷加大，其空化和振動問題日漸凸顯，很多學者對此類問題進行了研究[25]。本文以某實際電站混流式水輪機為例，利用CFD技術模擬不同工況下流道內水流的壓力及跡線分布，計算結果可為電站實際運行提供參考。

1.1 物理模型及網格

利用UG軟件建立水輪機全流道物理模型。轉輪型號為HLF497LJ625.7，轉輪標稱直徑為6257mm，葉片數為13片，設計流量296m3/s，設計水頭110m，最大水頭141m，最小水頭68m，額定出力561MW，額定轉速142.9r/min，導葉高度為1477mm，固定導葉和活動導葉數量均為20片。

利用GAMBIT軟件進行網格劃分，由于模型較復雜，采取分塊劃分的方式，分別對蝸殼、座環、導葉、轉輪、尾水管水體劃分網格。采用結構化網格和非結構化網格相結合的方式，并對流動狀態變化較大區域的網格進行加密，網格總數98.76萬。

1.2 數學模型及計算方法

1.2.1 數學模型

1.2.2邊界條件及計算方法

蝸殼進口斷面設為速度入口；尾水管出口設為outflow；不同流體域之間的數據交換采用差值的方式，交界面設為interface；用滑移網格模型處理轉輪區域與導葉、尾水管區域的耦合問題，上冠、下環和導葉壁面均設為Moving Wall；采用分離式求解器計算；算法采用經典的SIMPLE算法；迎風格式及亞松弛因子均為默認。

2 計算結果分析

根據該電站實際運行情況，分別在設計水頭、最大水頭和最小水頭下選取三個工況點進行模擬計算，各工況參數如表1所示。

表1 工況點參數表

工況點1水頭（m）1流量（m3/s）1導葉開度（°）1出力（MW）11110（設計水頭）1296124130021141（最大水頭）1243.5211813203168（最小水頭）1148.161201852.1 導水機構流場分析

圖1～圖3為三種工況下導水機構壓力及水流跡線圖，從圖中可以看出，三種工況下蝸殼及導葉內水流都能形成一定的速度環量，蝸殼內的流動符合等速度矩分布規律。工況1、2下蝸殼壓力分布沿徑向均勻降低，過度平穩，固定導葉壓力在圓周方向對稱性較好，活動導葉從頭部到尾部壓力均勻降低，沒有明顯突變。工況3下蝸殼內水流在徑向壓降不明顯，從蝸殼到固定導葉壓力變化較大，固定導葉壓力在圓周方向對稱性差，這可能是由于活動導葉與固定導葉設計配合不好，水流對活動導葉沖擊不強引起的。

2.2 轉輪流場分析

圖4～圖6為三種工況下轉輪葉片背面的壓力云圖，從圖中可看出工況1下葉片基本沒有負壓區；工況2下負壓范圍很廣，而且數值較大，負壓集中出現在葉片靠近下環區域；工況3下在進水邊背面靠近下環處存在零星負壓。由此可判斷出機組在工況2下運行時發生空蝕的幾率較大。

2.3 尾水管流場分析

工況1（圖7）下尾水管進口水流圓周方向速度幾乎為零，基本沒有渦帶，水流狀態較好；工況2（圖8）下尾水管進口水流有一定的圓周速度，在直錐段產生較小渦帶，并在發展至尾端過程中逐漸減弱；工況3（圖9）下尾水管進口水流圓周速度較大，在直錐段產生較強渦帶，并在發展至尾部時沒有減弱，在尾水管出口位置還存在有較大旋渦。

3 結論

利用CFD技術對轉輪型號為HLF497LJ625.7的水輪機內流場進行數值模擬，得到三種工況下導水機構、轉輪葉片及尾水管內的水流變化規律。研究表明，該水輪機在設計水頭下運行時，各部件水力性能表現良好；在偏離設計水頭運行時，各個部件水力性能表現不一，水流狀態不理想，水力部件的結構有待改善，同時，也可通過調整機組的運行范圍，達到保護機組的目的。

參考文獻：

[1]劉大愷.水輪機（第三版）[M].鄭州：黃河水利出版社，2011.

[2]王磊，婁瑜，王照福.混流式模型水輪機空化流動分析與試驗研究[J].排灌機械工程學報，2014，（9）：771775.

[3]唐巍，張昌兵，李雷.中低比轉速混流式水輪機空化與水力振動分析[J].水電能源科學，2014，（8）：145147，126.

[4]羅麗，李景悅.混流式水輪機內部空化流動數值模擬[J].人民長江，2016，（13）：7983.

[5]劉攀，陳學力，汪泉，李德忠.高水頭混流式水輪機的動靜干涉與振動問題研究[J].水力發電學報，2016，（03）：9198.

[6]吳玉林，劉樹紅，錢忠東.水利機械計算流體力學[M].北京：中國水利水電出版社，2007.

作者簡介：王攀登（1980），男，漢族，四川成都人，本科，電氣工程師，主要從事安全生產管理工作。