沖擊式水輪機全流域數值分析及流動特性研究

程超

哈爾濱電機廠有限責任公司 黑龍江哈爾濱 150000

與國外相比，中國的沖擊式水輪機研究水平仍處于經驗積累階段。另外，水輪機的進氣流是兩階段的三維不穩定流，復雜的流場特性也給研究帶來很多困難。沖擊式水輪機的水循環回路具有經典的圓形彎頭流和歧管流，水循環回路和噴嘴中存在伴隨這兩個流的二次通量現象，并繼續干擾主流。下游壓力和自由射流速度會引起各種影響，這是沖擊式水輪機供水機構的主要能量損失點。因此，研究沖擊式水輪機的水循環，噴嘴和噴射回路的流動特性尤為重要。

1 四噴嘴沖擊式水輪機供水機構內部流動特性研究

沖擊式水輪機主要由供水機構和流道組成。供水機構包括配水環管和圓形噴嘴。研究表明，上游供水機構的流量特性將直接影響從上游噴嘴出口形成的流量[1]。同時，供水機構進水通道的設計與沖擊式水輪機運行過程中的能量損失有關，直接影響整個機組的效率。為了研究四噴嘴沖擊式水輪機供水機構的向內流動特性以及由此產生的能量損失的分布以及多脈沖水力發電機組的參數，研究了以下三個方面：

（1）研究供水機構的內部流動特征；

（2）尋找供水機構造成的能量損失；

（3）研究供水機構內部二次水流的發展過程。

2 四噴嘴沖擊式水輪機全流域發展分析

（1）四噴嘴沖擊式水輪機供水機構中配水環管、噴嘴的內部流態進行了分析，將其流動特性以及各部分能量損失進行了闡述。結合四噴嘴沖擊式水輪機相關工況條件，可以看出其適用范圍相當廣泛，對于流量要求沒有軸流式、貫流式水輪機高，不需要建設具有相當規模的水壩作為運行環境，在高水頭的水力資源工況條件下能體現優秀的產能效率。

（2）通過提取噴嘴在三個工作水頭下的進出口壓力差及水頭損失比等系數后，發現噴嘴的能量損失也隨工作水頭的上升而上升，同時在同一工作水頭下，四個噴嘴的能量損失基本持平。通過提取噴嘴噴針外側的14 個平面平均壓力點的壓強可以得知，噴嘴內部水流在逐步接近噴嘴口時，由于噴嘴壁面急劇收縮，使得壓力梯度驟然上升，逐步將水流的壓力能轉化為動能。越靠近出水口，壓力下降幅度越快。在流經噴嘴喉部時，壓力會降至較低位置，隨后由于后續射流施加向前的加速度，壓力緩慢回升。

（3）通過對供水機構內部二次流現象的研究，發現在配水環管及噴嘴內都存在著不同程度的二次流現象。在配水環管中水流經過曲率較大的彎管截面時，在內部產生迪恩渦對并且在水流前進的過程中，這對旋渦持續發展，對配水環管內部流動造成了較大的干擾。在水流進入接近分叉管口時，二次流暫時消弱，但仍然存在。在水流進入噴嘴進水口后，二次流現象再次發展，在靠近噴嘴出水口時再次削弱。在水流流經噴嘴口形成自由射流后，二次流現象再次發展，持續以一定規模存在于射流中。可以看出二次流現象貫穿于供水機構的全部流動過程中，是供水機構主要的能量損失來源。

（4）通過選取當前主流沖擊式水輪機基本模型，求解出最高效率下的最優速度比，將數據導入四噴嘴沖擊式水輪機全流域的仿真模擬，發現自由射流與轉輪的做功過程存在多個步長的階段，從射流剛接觸水斗、射流少量進入水斗、射流被水斗切水工作面切割、射流充分進入水斗這幾個觀測時間點中發現了射流在水斗內會存在破壞水膜流動的水流溢散流失現象，一定程度上造成了做功過程中的能量損失。在射流與單一水斗的運動過程中，發現水斗中存在多個負壓力域，容易形成氣蝕現象。同時相鄰水斗通過水流進行相互作用，對水輪機整體產能效率有著不容忽視的影響。

（5）本文使用ANSYSFLUENT 以及CFD-Post 對四噴嘴沖擊式水輪機進行了全流域數值模擬分析，對配水環管、噴嘴內流態以及射流的壓力、速度、流線等方面參數進行提取和分析，并將射流沖擊水斗做功過程分解為多個時間步長，探明在四噴嘴沖擊式水輪機從供水機構到轉輪之間主要的能量損失來源。

提高供水機構以及轉輪的建模精度。在配水環管的實際加工過程中，是用多截小彎管逐次焊接而成，但其設計原型并未有統一規格。本文提取主要彎管截面的曲率，進行簡化建模。轉輪水斗建模共分為四個面，分別是前部切水面、中部做功面、尾部出水面以及背面。但在實際的水斗加工過程中，國外主流使用非光滑曲面設計的水斗，而國內使用三個工作面為光滑曲面的水斗并且與配水環管一樣沒有統一規格。從而使得國內外關于轉輪做功的相關研究存在差異性。

3 結語

總而言之，隨著中國社會的飛速發展和各行各業生產水平的不斷提高，電能已成為所有電力公司和國家必不可少的重要能源。近年來，該國的電能生產和開發進入了一個熱點階段，其中水電是電能生產的重要來源，其發展勢頭和技術逐漸成熟。在我國，水力發電已由低水位向高水位發展。其中，水輪機起主要的能量轉換作用，將水流的動能轉換為轉輪的機械能。在許多具有不同條件的液壓資源中，每種類型的水輪機都響應不同的揚程和工況。在不同類型的沖擊式水輪機中，沖擊式水輪機適合在高揚程條件下運行，相對容易安裝，維護成本低，并且在低流量和高流量下均表現良好。