長短葉片混流式水輪機全流道內部流場數值模擬研究

李佳楠，袁 帥，劉小兵

(西華大學能源與動力工程學院，成都 610039)

0 引 言

隨著計算機技術飛速發展，運算能力不斷提高，運用CFD對水輪機真機全流場進行數值模擬計算已成為一種重要研究方法。與單部件流動模擬相比，真機全流場數值模擬結果更為接近水輪機內部真實流動情況，因而能做出更為準確的性能分析[1-6]。

近年來，長短葉片混流式水輪機憑借其優越的性能，逐漸取代常規葉片，成為電站技術改造的重要對象[7]，一些文章對此進行了研究報道。閆雪純等[8-11]采用數值模擬技術對長短葉片水輪機不同運行工況進行了全流道計算，并根據計算結果分析了該水輪機的能量特性、空化特性和力學特性。胡秀成等[12,13]對長短葉片結合、長葉片、短葉片三種混流式水輪機在額定流量工況下三維湍流數值進行了模擬研究，獲得了各水輪機全流道的流速和壓力分布。楊圣輝[14]對轉輪的長葉片、短葉片、長短組合葉片分別在空氣和水介質中進行流固耦合模態分析，并對上述結果做出對比。

基于此，本文以某電站改造后的HLA351-LJ-275長短葉片混流式水輪機為原型，利用數值模擬軟件CFX，對水輪機全流道進行耦合流動計算，探索其流場分布情況和流動特性。

1 幾何模型

水輪機型號為HLA351-LJ-275，其基本參數為：設計水頭250 m，設計流量27.6 m3/s，額定轉速為375 r/min，轉輪直徑2 750 mm，轉輪長、短葉片數均為15，固定導葉數為12，活動導葉數為24。對各過流部件進行三維構型，全流道幾何模型見圖1。

圖1 水輪機全流場計算域模型Fig.1 Centrifugal pump full flow field calculation domain model

利用ICEM軟件進行網格劃分，由于流道形狀復雜，采用適應性較強的非結構網格，并對近壁面區及速度和壓力變化梯度大的區域進行網格加密處理，網格密度為其他區域的5～10倍。將劃分好的網格導入CFX進行計算，并對網格質量進行無關性檢查，選取多個網格數的模擬結果進行對比分析，確保選取的網格數量滿足計算精度的要求，同時保證計算速度，將計算結果誤差控制在0.05%，計算結果如表1所示。

表1 網格數對數值模擬結果的影響Tab.1 Effect of Grid Number on Numerical Simulation Results

最終，將常規水輪機全流道網格數確定19 170 845個，其中長短葉片轉輪網格數為8 816 640個，導葉網格數為5 470 116個，蝸殼網格數為2 080 925個，尾水管網格數為2 803 164個。各區域網格數值質量均在0.25以上。

2 數值模擬

2.1 數值方法

連續性方程：

(1)

動量方程：

(2)

式中：ρ為密度；ui、uj為平均速度(i、j=1、2、3)；p″為等效壓力；ue為流體黏性系數。

采用k-ε雙方程使雷諾時均方程封閉：

(3)

(4)

式中：Gk表示由于平均速度梯度引起的湍動能產生；Gb表示由于浮力影響引起的湍動能產生；YM表示可壓縮湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響。C1ε=1.44，C3ε=1.92，C3ε=0.09。

2.2 邊界條件

進口邊界條件為速度進口，假定進口為均勻來流，根據流量確定進口速度大小，方向垂直于進口邊界面。出口邊界條件為壓力出口，方向垂直于出口面。固壁上速度滿足無滑移壁面條件，在近壁區域采用標準壁面函數。

3 計算結果與分析

文中以混流式水輪機典型的小流量工況為例分析水輪機全流道內部流動情況。

3.1 蝸殼流場計算分析

該混流式水輪機在小流量工況下的蝸殼流場計算結果如圖2、3所示。

圖2 蝸殼壓力分布圖Fig.2 Pressure distribution of spiral case

圖3 蝸殼速度矢量圖Fig.3 Velocity vector of spiral case

由圖2、3可知，從蝸殼進口至蝸殼出口，靜壓分布沿向心方向均勻降低，速度矢量均勻增大。在蝸殼鼻端處，壓力出現局部高壓情況，鼻端附近速度也相應變小，這與水輪機的蝸殼鼻端通過采用變速度矩法增加流量，改善出流角有關?？傮w而言，壓力與速度在圓周方向均具有較好的對稱性。蝸殼內部流動狀況理想，水力損失較小。

3.2 導水機構流場計算分析

水輪機導水機構采用12個固定導葉和24個對稱活動導葉。水輪機在小流量工況點導水機構計算結果如圖4、5所示。

圖4 導水機構壓力分布圖Fig.4 Pressure distribution of guide apparatus

圖5 導水機構速度矢量圖Fig.5 Velocity vector of guide apparatus

由圖4、5可知，從固定導葉進口到活動導葉出口，壓力逐漸降低，速度矢量隨壓力減小均勻增大，速度最大區域位于出口端，且速度和壓力在圓周方向的對稱性較好。各導葉間速度流線順暢，導葉進出口沒有明顯的漩渦。

3.3 轉輪內流場計算分析

水輪機采用長短葉片轉輪，轉輪直徑為2 750 mm，葉片數為30個，其中長短葉片各15個。水輪機在小流量工況點轉輪葉片壓力分布如圖6所示。

圖6 轉輪葉片壓力分布圖Fig.6 Pressure distribution of runner blade

由圖6可知，沿轉輪葉片進水邊到出水邊，壓力均勻減小，葉片表面無明顯回流及二次流。短葉片的存在使得流動更為平穩，葉片工作面和背面壓力大致相等，減小了葉片出水邊壓力脈動[7]，改善了傳統葉片出水邊抗裂性能[15]。

3.4 尾水管流場計算結果分析

水輪機在小流量工況尾水管流場計算結果見圖7。由圖7可知，尾水管內流線順暢，呈中心對稱分布，速度沿向心方向均勻減小。各流線回旋形成較為對稱的渦帶，且渦帶中心無偏移，管內無明顯回流，流動情況良好[16-18]。

圖7 尾水管內流動特性Fig.7 Flow fields in draft tube

4 結 語

(1)改造后的長短葉片混流式水輪機在小流量工況下運行時，各過流部件之間過渡順暢，流動情況良好。轉輪葉片表面無明顯脫流，壓力與速度分布均勻。尾水管內渦帶未存在較大偏心，其全流道內部流動特性較好。

(2)短葉片的存在使流動更為平穩，葉片工作面和背面壓力大致相等，減小了葉片出水邊壓力脈動，使得傳統葉片出水邊不易開裂。

(3)長短葉片混流式水輪機對小流量工況具有較好適應性，適宜在高水頭水電站使用，全流道數值模擬具有重要研究價值，值得進一步研究。