HL741水輪機增容改造及數值模擬研究

田亞平 白萬軍 王雨云

摘 要：根據古浪堤電站HL741水輪機增容改造的需求，對諸多較優模型轉輪的分析對比后，擬定選用HLA232葉片并稍加改型，同時為增大過流能力解決汛期轉輪流道易堵塞的問題，最終決定采用在此基礎上減少一個葉片后制造新轉輪的方案對原水輪機進行改造。借助數值試驗平臺對改造前后的水輪機進行全流道三維流場數值計算及性能預測，分析計算結果并給出了水輪機改造前后的水動力學特性差異。改造后水輪機蝸殼及導水部件內流動與改造前差異很小，水力性能沒有下降;轉輪葉片中水流的流態分布合理，空蝕性能提升;尾水管中水流平穩順暢。在以后的改造工程中可用HLA232轉輪經適當修型以匹配原轉輪室結構后替代HL741轉輪。

關鍵詞：水輪機;轉輪改型;葉片數;數值試驗;性能預測

中圖分類號：TK730.3 ? 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.07.024

Abstract：According to the capacity-increasing and transformation needs of HL741 turbine of Gulangdi Power Station and after the analysis and comparison of many excellent model runners， the slightly modified HLA232 blade was selected， at the same time it increased the flow capacity to solve the problem of runner was easily to be blocked in flood season， ultimately decided to use this scheme and reduced a blade to manufacture new turbine runner to achieve capacity-increasing. By means of numerical simulation to calculate three-dimensional flow field of the whole hydraulic turbine before and after the modification and predict performance. The results of the calculation were analyzed and the difference of hydrodynamic characteristics of the water turbine before and after reform was given. The flow distribution of the overflow parts of the water turbine before and after the transformation was analyzed and compared. The overall hydraulic performance of the reformed turbine was predicted.

Key words： hydroturbine; runner modification; blade number; numerical simulation; performance prediction

對已建年限久遠、運行條件惡化的電站水輪機進行設備技術改造，投資少、成本回收快、經濟效益高，現實意義重大[1]。青海古浪堤水電站位于同仁縣隆務河下游，采用徑流引水方式，電站設計水頭45 m，據統計，多年來隆務河的平均流量為18.14 m3/s，而電站引水過渠能力為10 m3/s，多出的流量沒有做功發電而是直接排泄至下游，造成水能資源浪費。該電站安裝4臺臥式水輪發電機組，其中一臺型號為HL741-WJ-84（以下簡寫為HL741）的水輪機額定出力為1 200 kW，而發電機額定出力為1 400 kW，因此機組具有很大的增容潛力。由于隆務河含沙量較大且雜質較多，因此汛期經常發生轉輪流道堵塞而被迫停機疏淘的問題，頻繁地啟停會嚴重影響機組的使用壽命，降低電站效益。借助于引水渠擴容整修工程對該臺水輪機進行改造，業主要求以不改變埋入部件為前提，以較小代價提高水輪機的水力性能，增加機組出力，改善機組的防堵塞性能。

工程中常通過增大機組過流量、效率及提升電站運行水頭等途徑實現擴容。電站長時間運行后實際水頭已經降低，增加出力只能依靠增大引用流量以及提高水輪機效率，當然也可采取水工作業疏通尾水渠道，恢復電站的設計水頭，但此舉往往會增加投資，對小型電站而言經濟性欠佳。一直以來，中小型水電站水輪機更換的新轉輪都是借用大型水輪機轉輪進行相似換算得到的。受機組尺寸的限制，經相似換算后得到的小型水輪機轉輪流道狹窄，加工困難，直接套用可能造成機組的水力性能下降，無法適應電站改造的要求[2]。近年來，隨著CFD技術的廣泛應用，采用數值模擬的方法研究水輪機性能及增容改造逐漸成為主流[3-4]。筆者根據古浪堤水電站的具體問題選擇改造優化方案，結合CFD數值試驗，分析改型轉輪與通流部件的流動匹配關系及各項性能參數是否滿足電站的增容改造要求，為水輪機成功改造提供了依據。

1 增容改造方案

更換轉輪是水輪機改造的主要方法之一，其關鍵在于選取滿足需求的優秀轉輪，保證電站的經濟效益和安全運行;目標轉輪過流通道的幾何尺寸應與原機組轉輪室的尺寸保持一致，以不改變原水工建筑物，降低改造成本。對小電站而言，能夠直接套用的轉輪不多，這就需進一步對轉輪采取適當改型措施，改型后的轉輪不僅要保持自身優良的水力性能，而且要考慮原有部件對其性能的影響。因此，改型轉輪的研制比新轉輪的研發難度大[5]。

2 新舊轉輪的性能比較

2.1 轉輪參數與出力的比較

對已有幾何參數相近的轉輪分析比較后，初步選擇HLA232轉輪葉片。表1列出了HLA232轉輪和HL741轉輪的基本參數。

兩種轉輪的導葉相對高度都為0.2，這就為在不改變轉輪室結構的前提下僅通過更換轉輪增容提供了可能性，并且兩者的轉速基本一致，HLA232的限制工況流量為1.04 m3/s，比HL741的增加了約11%。因此，更換HLA232轉輪葉片后增容10%是有保障的。

2.2 空化性能的比較

在水輪機中，空化系數σ受比轉速ns的直接影響，即隨著比轉速ns的升高而增大。由表1數據可見，HLA232轉輪的優點顯而易見。就過流能力而言，新轉輪HLA232遠高于HL741轉輪，但空化系數σ僅為0.08，顯然低于HL741的0.1。可見，更換轉輪葉片后在達到增容的同時還能提高原機組的空化性能。

3 轉輪改型分析

3.1 改型措施

圖1為HLA232轉輪（虛線）和HL741轉輪（實線）流道對比圖。由圖1可知，HLA232下環錐角比HL741的大，這將導致下環外部尺寸增大，而下環外部尺寸的增大勢必導致轉輪室前后蓋板及尾水管需改造或更新，大大增加了機組改造的成本和難度，顯然違背了僅通過更換轉輪達到增容改造的初衷;HLA232的上冠形線較HL741的高出許多，致使上冠厚度減小;HLA232出水邊半徑較小，使得原泄水孔開在新轉輪的葉片流道中，這將嚴重破壞流道內的水流流態。

綜上所述，新舊轉輪的流道不完全相同，為適應原轉輪室尺寸，防止破壞目標轉輪的水力性能，新轉輪采用HLA232葉片時需稍加修形，具體改形措施如下：①適當修改下環錐角，葉片下環錐角的減小會導致過流能力降低。因此，必須盡量少改下環錐角，同時可減少葉片數以使過流能力提高達到彌補的效果，更重要的是還能提高汛期防堵塞性能。②修整新轉輪HLA232的上冠側，最簡單可行的方法是把原來的凹面修整為平面，以增加上冠厚度，滿足強度要求。③取消原機組的泄水孔，頂蓋減壓問題通過水輪機頂蓋來解決。

總之，對HLA232轉輪適當改形以適應HL741水輪機轉輪室，葉片數從14片減少為13片以提高過流能力，同時解決轉輪在汛期常易堵塞的問題。轉輪葉片數的改變對轉輪的水力性能和強度均有顯著影響[6]，由于HLA232轉輪應用水頭達到了120 m，對于古浪堤電站的45 m水頭，減少一個葉片后轉輪強度顯然還是綽綽有余的。

3.2 導葉開度比較

對原水輪機可由式（1）求出導葉開度的最大值為110.6 mm，而更換HLA232轉輪后要求導葉開度最大值為106.86 mm，可見原導水機構滿足更換新轉輪后的開度要求，導水機構無須為增大最大開度而改造。

通過以上分析可知，HLA232轉輪基本滿足電站的改造設計要求。為了驗證經過一定改形后的HLA232轉輪能否達到預期的效果，水流流態是否均勻合理，通過CFD進行了數值模擬計算。

4 數值模擬計算

4.1 計算對象

為得出水輪機改造前后的水力性能及流態分布，根據原水輪機的實際運行情況及綜合特性曲線選取表2典型工況。

4.5 數值模擬

采用ANSYS-Fluent軟件進行數值模擬，運用更易收斂的SIMPLEC算法求解湍流流場的壓力速度耦合方程。計算中壓力項和擴散項為中心差分格式，速度項采取二階迎風格式，殘差設定為1×10-4，計算過程中通過監測殘差值是否達到1×10-5和監控進出口壓差是否平衡穩定來判斷其收斂性。水輪機蝸殼進口邊界設置為velocity-inlet，尾水管出口邊界設置為outflow。固壁處設為流體無滑移和無滲透邊界條件，近壁區流動采用標準壁面函數處理[10-11]。

5 結果分析

5.1 水輪機效率與出力比較

改造前后機組效率和出力隨導葉開度變化的規律如圖3所示。

由圖3可知，當導葉開度為39.8 mm時即小流量工況下，改造后的水輪機效率與出力均低于改造前的，效率較之前下降了1.67%，機組出力減少了59.28 kW，能量特性欠佳;當導葉開度增大到81 mm時，機組在原設計工況下運行，改造后的效率增加了1.36%，功率比原來增加了121 kW，機組增容幅度接近10%;隨著導葉開度的繼續增大，改造后水輪機的效率和出力均得到大幅度提升，當導葉開度約為90 mm時，效率達到峰值，此后水輪機的效率不再增大，呈下降趨勢，但仍高于改造前的效率，機組出力則一直增加。

總體來看，改造后水輪機效率明顯增大，在大流量工況下，效率曲線基本包絡改造前的效率以上區域，說明改造后機組運行的高效率區拓寬，運行條件得到改善。據此可以推斷，原水輪機增容改造后最優工況點向大流量區偏移，機組在實際運行中應偏向大流量區。

5.2 流態比較

這里僅列出兩種轉輪最優工況下的流場模擬結果。

改造前后蝸殼及導水部件內的壓力分布如圖4所示。由圖4可知，該部件改造前后壓力梯度分布基本沒有變化，改造后只是壓力值減小;改造后蝸殼中水流流動均勻合理，不存在明顯撞擊、壓力突變等不穩定現象，說明改形轉輪與該部件匹配性良好，改造對原蝸殼的流動狀態幾乎沒有影響。

由圖5可以看出，改造后葉片正面的速度分布有序，顯然好于改造前。改造前葉片工作面進口段有很明顯的回流，整個葉片表面流動紊亂，改造后進口區域的流動得到改善，整個葉片正面流動有序，狀況良好，葉片流道間不存在脫流、回流等二次流動現象。

由圖6可知，改造前后轉輪葉片背面的壓力分布差異明顯。葉片背面壓強從進口邊到出口邊逐漸減小，葉片背面壓力總體分布均勻，具有良好的壓力梯度。通常，轉輪中的低壓區集中分布在葉片的出水邊，改造后葉片背面的壓力回升，負壓減小，且整個背面低壓區的面積也在縮小，整體壓力分布較改造前優良，說明改造后轉輪的性能提升。

比較分析改造前后尾水管的流線分布（見圖7）可知，改造后尾水管的流動狀況較改造前好。改造前直錐段部分存在輕微渦帶，改造后直錐段的渦帶明顯減弱，流動狀況良好，在擴散段整體流線順暢，流動性能優于改造前。可見，轉輪改造后與原尾水管的匹配性能更佳。

6 結 語

對于HL741系列轉輪而言，HLA232轉輪與其互換性良好且水力性能更優。在以后的改造工程中可用HLA232轉輪經適當修型以匹配原轉輪室結構后替代HL741轉輪。改造后水輪機效率達到90%，高效區拓寬，機組增容可超過10%，機組在實際運行中應偏向大流量區。改造后水輪機蝸殼及導水部件內流動與改造前差異很小，水力性能沒有下降;轉輪葉片中水流的流態分布合理，性能提升;尾水管中水流平穩順暢。對中小型電站水輪機的改造，完全可通過CFD技術對改造結果進行預估及驗證，流場分析滿足要求即可付諸實踐。

參考文獻：

[1] 陳錫芳.水輪發電機組改造增容與優化運行[M].北京：中國水利水電出版社，2010：132-133.

[2] 嚴利，熊朝坤，余波，等.小型水電站水輪機改造研究與實踐[J].中國農村水利水電，2010（10）：108-110.

[3] 趙道利，王華有，吳子娟，等.混流式轉輪上冠型線變化對水輪機水力性能的影響[J].水力發電學報，2016，35（12）：112-119.

[4] 敏政，田亞平，張學光，等.基于流場數值模型的蝸殼優化改造[J].水電能源科學，2017，35（8）：169-171.

[5] 趙兵，張千里.水電站改造中改型轉輪研究[J].電站系統工程，2010，26（3）：73-74.

[6] 鐘蘇，王德俊，呂桂萍.混流式水輪機轉輪強度的設計優化[J].大電機技術，2004（4）：36-39.

[7] 敏政，齊學義，唐健波.HL160型水輪機的增容改造技術[J].水力發電，2002（4）：64-66.

[8] 王旭，李萍，陳榮盛，等.水輪機橢圓蝸殼設計的CFD計算及試驗分析[J].人民黃河，2016，38（1）：109-111.

[9] 王福軍.計算流體力學分析：CFD軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004：124-125.

[10] 辛喆，吳俊宏，常近時.混流式水輪機的三維湍流流場分析與性能預測[J].農業工程學報，2010，26（3）：118-124.

[11] 俞蕓蕓，秦戰生，周大慶，等.基于CFD的轉輪葉片對虹吸式水輪機水力性能的影響分析[J].河海大學學報（自然科學版），2017，45（4）：298-303.

[12] 黃劍鋒，張立翔，何士華.混流式水輪機全流道三維定常及非定常流數值模擬[J].中國電機工程學報，2009，29（2）：87-94.

[13] 周凌九，徐紅新，崔濤，等.引水部件水力損失對水輪機增容后效率的影響[J].水力發電學報，2011，30（1）：160-164.

【責任編輯 張華巖】