中小型混流式水輪機轉輪優化改造方法及CFD分析

張慧珍

【摘 要】為了達到提升中小型混流式水輪機組出力和效率的目的。本文在對比了目前3種主要改造方法的特點之后，選擇翼型重新設計的方法對某電站的混流式水輪機組進行優化改造。最后，通過CFD分析驗證了改造后的機組水力性能。結果顯示，重新設計翼型后的轉輪，提升了機組的水力特性，水輪機內部流場比較順暢，壓力分布也比較良好，且負壓區域較好，具有良好的抗汽蝕性。為后續相關機組的優化改造提供了參考依據。

【關鍵詞】混流式水輪機；轉輪；優化改造；CFD分析

中圖分類號： F426.63 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）23-0036-002

【Abstract】In order to achieve the purpose of improving the output and efficiency of small and medium-sized Francis turbine. In this paper， after comparing the characteristics of the three main transformation methods， the airfoil redesign method is selected to optimize the mixed flow turbine of a power station. Finally， the hydraulic performance of the unit is verified by CFD analysis. The results show that the re-design of the rotor after the airfoil to enhance the hydraulic characteristics of the unit， the turbine flow field is relatively smooth， the pressure distribution is also relatively good， and the negative pressure area is better， with good anti-cavitation. Which provides a reference for the optimization of the related units.

【Key words】Francis turbine；Runner；Optimization；CFD analysis

0 引言

對于中小型混流式水輪發電機組而言，往往在投入使用一段時間之后，會出現出力不足等問題，直接影響電站的經濟效益。因此，對電站的機組進行增容改造是非常必要的工作。近年來，我國在上世紀70、80年代投入使用的中小型混流式水輪機，由于年久老化、轉輪選型不當等原因，陸續出現出力不足、效率低下等問題。因此，對機組進行增容改造的工作勢在必行。所以，研究合理的水輪機優化改造方法，具有舉足輕重的意義。

就混流式水輪機的增容改造方法而言，人們做了大量的研究。其中，包括優化尾水管設計、改進活動導葉型線、對蝸殼舌板進行修型等。但是眾所周知，轉輪是水輪發電機組的最關鍵部件[1]。而對轉輪進行優化改造，也是達到提升機組容量和效率的非常有效的方式。因此，探討中小型混流式水輪機轉輪的優化改造方法，對于提升機組的容量，增大轉輪葉片的過流流量，提高機組的發電效率等方面均有重要的意義。綜上所述，本文以某混流式水輪機為改造案例，通過分析轉輪的改造方法，并進行了CFD分析，從數值計算的角度驗證了改造方法的合理性。

1 轉輪優化改造方法的選擇

本文以某混流式水輪發電機組作為優化設計對象，該機組屬于立式機組，轉輪型號為HL110。由于該機組目前已經投入使用多年，出力和效率都嚴重低下，所以需要對轉輪進行改造達到提升出力和效率的目的。

從目前主要的轉輪優化改造方法來看，主要有[2]：（1）增大轉輪葉片的漿葉角度，以達到增大過流面流量的目的，實現出力的提高。雖然從理論上來說，該方法確實能夠達到提升出力的目的，但是增大漿葉的角度，會使水輪機的運行條件發生變化，通常情況下會朝遠離最優工況的特性曲線偏移。也就是說，雖然局部的流量增大促進了出力和效率的提升，但最優工況的偏離，也會導致水力性能惡化，效率下降等問題，綜合看來，改造的效果并不明顯；（2）增加轉輪直徑。該方案對于優化改造而言，是最有效的方案，不僅能夠有效提高出力和效率，還能夠進一步優化水力特性。但是，由于水輪發電機組的各過流部件都是相互配合的，增大轉輪直徑，會導致相關過流部件如導葉、蝸殼等尺寸全部發生變化，也就是說，相關的過流部件將全部更換，這樣一來會導致造價過高；（3）改變轉輪葉片的翼型。重新設計轉輪葉片的翼型，并完成轉輪的更換，是目前應用比較廣的一種方法。由于設計新的翼型，是根據電站的水紋條件來進行的，因此不會導致運行時偏離最優工況。同時，也不用增加轉輪的直徑，所以其余的過流部件不必更換，經濟效益比較好。綜上所述，本文在該電站機組優化改造方法的研究中，擬選擇改變轉輪葉片翼型的優化改造方法。

2 優化改造方法的實施及CFD分析

根據優化改造方案3，該機組所重新設計的葉片翼型及三維實體模型，其中，實體模型劃分為13個截面（即13個翼型），具體情況如圖1所示。

為了驗證優化設計的效果，對改造后的方案進行CFD分析。選擇的工況類型為額定工況，數值計算得到的速度壓力分布規律，如圖2～3所示。

如圖2所示，在額定工況條件下，無論是轉輪葉片的正面還是背面，其水流速度的分布是比較均勻的，沿著葉片的水端至出水端幾乎沒有回流、漩渦以及橫向流動等問題，可以認為，在轉輪流域內，整個流線的順暢度較高，水流速度分布狀態比較好。

如圖3所示，葉片的正面和背面水壓力分布規律為：由葉片的進水端至出水端呈梯度、均勻降低的趨勢。從壓力的數值大小來看，正面的壓力水平比背面的壓力水平高，但二者整體壓力分布情況比較好。只是在葉片背面的出水端附近，有極少量存在負壓的區域，也就是說，在實際中，有可能會存在輕微的汽蝕現象，但這也是水輪發電機組無法避免的問題。因此可以認為，優化設計后的翼型具有良好的壓力分布規律。

綜上所述，完成轉輪優化設計改造后，新設計的翼型無論是速度還是壓力分布情況，都具有良好的性能。也就是說，通過重新設計翼型的改造方法，達到了預期的改造目標，機組的出力和效率都會得到有效提升。

3 結論

在混流式水輪發電機組的轉輪優化改造中，如何采用最有效的方法設計轉輪，是一個值得研究的問題。本文結合了3種改造方法的特點，選擇了重新設計翼型的改造方法，并通過CFD分析驗證了良好的改造效果。同時也得看出，CFD分析還存在精度的問題，因此，后續還需要進行模型試驗，才能夠進一步驗證該方案是否為最優設計方案。

【參考文獻】

[1]程良駿.水輪機[M].北京：機械工業出版社，1981.

[2]曲衛東，朱海濱，唐士濤.水輪機出力不足分析及轉輪的改造[J].黑龍江水利科技，2001（4）：66-67.endprint