淺談混流式水輪機內流場對機組性能的影響

黃 鑫， 郭 永 洪， 馬 志 軍， 蘇 豪 娟

(1.四川省紫坪鋪開發有限責任公司，四川 成都 610000；2.都江堰雙柏電力有限責任公司，四川 都江堰 611830)

0 引 言

水輪發電機組運行性能的好壞，直接影響到水電站乃至電力系統的經濟與安全運行[1]。因此，提高水輪機組的效率及穩定性對國家的能源戰略具有重大而深遠的意義。近年來，隨著水利水電工程的發展，水輪發電機組的單機容量和尺寸不斷增大，水輪機的轉速也隨之提高，但在穩定運行方面卻出現了越來越多的問題，嚴重影響了機組的安全穩定運行。

目前，國內外針對水輪機內水流擾動問題的研究方法主要有理論分析、模型試驗、真機試驗和數值分析四種。本文采用數值模擬的方法，利用Fluent軟件對某型號混流式水輪機內流場進行數值模擬，分析該型號水輪機在不同工況下的運行特性，并討論運行工況對機組水力性能的影響，為水輪機的設計和水力機組的運行方式提供參考。

1 模型及計算方法

1.1 物理模型及網格

利用UG軟件對水輪機進行物理建模，包括蝸殼、座環、導葉、轉輪和尾水管，用Gambit軟件對模型進行網格劃分。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局部加密，最終網格節點數98萬。

1.2 數學模型

水輪機內的水流流動是一個復雜的三維不可壓縮粘性湍流，可用流體的連續方程和N-S方程描述。即：

(1)

(2)

式中ρ為密度；ui、uj為平均速度(i，j=1，2，3)；pn為等效壓力；μe為流體粘性系數。

采用RNGk-ε模型使方程封閉：

(3)

(4)

0.012。

1.3 邊界條件及計算方法

由于水輪機內部水流流動是一個復雜的三維不可壓縮粘性渦流，因此，采用分離式求解器穩態求解時均N-S方程。湍流模型選擇RNGk-ε模型，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。速度壓力耦合采用經典的SIMPLE算法。為了更精確的模擬湍流，動量方程中的對流項離散格式設置為二階迎風格式，其他方程采用默認格式。

1.4 工況點的選取

隨著導葉開度的不同，水輪發電機組會經歷幾個不同的工況區。根據機組運轉特性曲線，可將機組劃分為低效率工況區、強渦帶工況區和穩定運行區。為了便于分析和比較，分別在最大水頭、最小水頭、設計水頭下各選擇一個工況點進行計算。各工況點參數如下表1所示。

表1 工況點參數表

2 計算結果及分析

2.1 導葉區域流場計算結果及分析

水流流經蝸殼進入固定導葉區域，在固定導葉部分形成速度環量，保證流量沿圓周方向均勻分配。活動導葉通過改變導葉開度控制流入轉輪區域的流量，引導水流按一定的方向進入轉輪，形成與改變進入轉輪的水流環量，從而達到調整出力的目的。通過模擬實驗，得出結果是三種工況下固定導葉背面壓力均小于正面壓力，活動導葉頭部到尾部壓力逐漸降低，速度逐漸增大，在圓周方向對稱性較好。固定導葉和活動導葉頭部有較小的撞擊，但沒有形成脫流，可通過改變導葉安放角度來調整其頭部水流撞擊問題。總體來說，導葉區域水流狀態尚可。

2.2 轉輪區域流場計算結果及分析

水流通過轉輪時，一方面沿彎曲的葉片做相對運動，另一方面又隨葉片旋轉，流動十分復雜。水流經過導葉引導后，應基本沿軸向均勻分配，各葉片上壓力、速度應呈中心對稱。從實驗中可以看出，三種工況下，葉片正面從進水邊到出水邊逐漸降低，正、背兩面形成一定的壓力差；工況1條件下，葉片正、背面壓力等值線與進出水邊有一定角度，但總體尚可，基本可以滿足要求；工況2條件下葉片正、背面進水邊附近壓力等值線基本與進水邊平行，而出水邊附近壓力等值線與出水邊近似垂直，在出水邊靠近下環處形成回流，葉片背面從進水邊到出水邊壓力逐漸增大，在出水邊靠近上冠的位置壓力達到最大，此種壓力分布對葉片的強度提出了較高要求；工況3條件下葉片正、背面壓力從進水邊到出水邊逐漸降低，壓力等值線與進出水邊基本平行，進水邊壓力梯度大于出水邊，但在背面靠近下環處壓力較低，此部位易造成空化空蝕現象。總體來說，工況1、工況3條件下，轉輪葉片壓力分布尚可，工況1在進水邊背面附近形成小范圍負壓區，易造成空化空蝕現象，而工況3條件下空化空蝕區轉移至葉片背面靠近下環的大片區域，工況2條件對水輪機運行較不利，葉片背面存在大范圍的空蝕區域。

2.3 尾水管區域流場計算結果及分析

尾水管作用是要將轉輪出口水流引向下游，利用轉輪高出下游水面的那一段位能，并要回收一部分轉輪的出口動能，其內部流態主要依賴于轉輪出口水流的流態。水流流經肘管彎曲部分時，流線發生彎曲，肘管底部附近壓力會增大，流速降低，而上部壓力減小，流速增大，造成下部水流收縮，上部水流擴散，形成渦流滯水區。水流流經水平擴散段時，由于離心力的作用逐漸消失，斷面壓力分布又趨于均勻，在肘管段具有較高壓力的水流此時壓力要降低，水流加速呈收縮狀；肘管段壓力較低、流速較高的水流此時壓力增加、流速降低，水流呈擴散狀，形成另一渦流滯水區。同時，由于轉輪的旋轉作用，在直錐段及肘管段中的水流呈螺旋形運動，直到水平擴散段才逐漸消失。圖1-圖3給出了三種工況下尾水管內水流跡線圖，從圖中可以看出，工況1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

圖1 工況1尾水管水流跡線圖

逐漸減弱；工況3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。

圖2 工況2尾水管水流跡線圖

圖3 工況3尾水管水流跡線圖

3 結 論

本文利用CFD技術對某電廠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相對良好；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。