混流式水輪機改造性能優化預測

雷 恒，劉子祺，高新江，趙 青，孫見波

（1.小流域水利河南省高校工程技術研究中心，河南開封 475004；2.黃河水利職業技術學院，河南開封 475004；3.黃河小浪底水資源投資有限公司，鄭州 450003；4.中國水利水電第五工程局有限公司，成都 610065；5.水利部農村電氣化研究所，杭州 310032）

0 引 言

我國20世紀六七十年代修建的一大批水電站，受到當時的設計制造技術條件限制，加上長期運行，水輪機部件尤其是過流部件磨損、空蝕嚴重，導葉漏水嚴重，水輪機的性能指標低下。由于電站埋設部件無法更換，新型轉輪與老舊型號無法匹配，重新設計開發成本過高，電站整套過流部件更換難度較大。因此，對于此類電站，水輪機改造性能優化預測既減少了水機模型試驗等一系列的復雜過程［1-3］，同時又降低了改造成本，獲取良好的效果。

某水電站安裝3臺混流式水輪發電機組，單機容量45 MW，水輪機額定水頭54 m，最大水頭66 m，最小水頭47 m，額定流量98 m3/s。電站投產運行近40年，轉輪為吸收國外廠家技術并自行設計制造，水輪機效率設計值偏低，且電站所處河流泥沙含量較大，過流部件空蝕磨損嚴重，尤其是轉輪葉片、活動導葉歷經多次大修，但主體已嚴重變形，效率下降明顯，長期達不到設計運行要求，機組穩定性差，運行維護成本高昂。

1 改造方案

1.1 轉輪設計

通過技術可行性和可靠性分析，選擇國內高效的二灘轉輪（以下簡稱“ET 轉輪”）為基礎進行改造［4］，ET 模型轉輪和本電站模型轉輪參數見表1。

表1 ET模型轉輪和本電站模型轉輪參數Tab.1 The model runner parameters of ET and this power station

1.2 比選方案

改造優化的目的是既要水輪機在滿足適當增容、效率適當提高的情況下，機組能在小負荷工況長時間運行，又必須使機組能在高水頭工況安全穩定運行。保持轉輪上冠最大外徑和下環最大外徑不變，不改變埋設部件，結構工藝滿足，以此為基礎提出兩種改造優化方案，改造方案2 在方案1 的基礎上，導葉分布圓直徑和導葉數量不變，僅對活動導葉重新設計，原型機和改型機幾何參數見表2。

表2 原型機和改型機幾何參數表Tab.2 Geometric parameters of prototype and variant

新選擇的轉輪能否匹配過流部件尺寸，運行中水流流態如何，過流部件是否還需優化，均有必要對轉輪、導水機構及尾水管等部位進行分析。

2 CFD三維仿真計算與流場分析

2.1 模型基本方程

混流式水輪機過流部件水力流動特性方程（N-S方程）［5］：

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

本計算采用標準k-ε雙方程使N-S方程封閉［6］，其方程形式如下：

式中：取Cμ= 0.09，σk= 1.0，C1ε= 1.44，C2= 1.9；k為湍動能；ε為耗散率［7］。

通過GMBIT和TGRID對計算區域進行離散，方程采用二階迎風差分格式，采用SIMPLE算法實現壓力和速度計算求解［8］。

2.2 邊界條件

混流式水輪機過流通道整體模型共劃分808 733 個單元，302 146 個網格節點［6］，如圖1所示。設定邊界條件：采用速度進口、自由出口、無滑移壁面邊界［9］。計算工況設置見表3。

表3 計算工況設置Tab.3 Operating condition setting

2.3 流場分析

為了充分對水輪機轉輪、導水機構和尾水管改造前后進行比較，分別對表3中各工況進行計算，模擬了各工況的流場分布情況，這里僅對額定工況進行分析。

水輪機改造前，轉輪葉片背面約1/4 區域出現負壓，最低壓力值為（-4.28×104～-2.87×104）Pa之間［8］，如圖2（a）所示；導水機構出口切向速度：固定導葉為11.3～12.5 m/s、活動導葉為15.7～16.8 m/s，如圖3（a）所示；尾水管進口速度：軸向為-1.33～-0.2 m/s、圓周為-3.62～-2.56 m/s［10］，彎曲段底部有輕微回流，渦帶較粗，無負壓，如圖4（a）所示。

方案1 改造后，轉輪葉片背面仍有約1/5 區域出現負壓，最低壓力值為（-5.39×104～-1.02×104）Pa 之間，如圖2（b）所示；導水機構出口切向速度：固定導葉為8.9～9.9 m/s、活動導葉為15.9～16.9 m/s，如圖3（b）所示；尾水管進口速度：軸向為-2.98～-1.78 m/s、圓周為-2.62～-1.51 m/s，如圖4（b）所示。

方案2 改造后，轉輪葉片背面負壓面減小，最低壓力值為（-4.27×104～-2.60×104）Pa 之間，如圖2（c）所示；導水機構出口切向速度：固定導葉為9.63～11.7 m/s、活動導葉為14.7～15.7 m/s，如圖3（c）所示；尾水管進口速度：軸向為-1.69～-1.19 m/s、圓周為-1.53～-0.49 m/s，如圖4（c）所示。

計算表明，在額定工況下，方案2改造后導水機構與轉輪設計匹配度較好，水力速度沖擊有輕度減小。管內無負壓，有反向渦帶，渦帶較細，水力性能良好。轉輪運行狀況改善，抗空蝕性能提高。

3 改造前后水輪機性能分析

方案1 改造后，在大開度工況下，水輪機低水頭運行，轉輪易發生空蝕，運行狀況不利，應避免在此范圍內運行；在額定工況下運行，空蝕仍較嚴重；在小開度、小流量工況下運行，轉輪葉片背面負壓區域雖然很少，水力速度沖擊沒有顯著差別，但水輪機效率無明顯提高，尤其是在70 m3/s 以下時，說明導水機構與轉輪匹配度不高，尾水管渦帶較嚴重；流量在95 m3/s 以上時，效率和出力雖有提高，但水輪機很少在此范圍內運行。

方案2改造后，在各典型工況下運行，水輪機效率和出力均有改善，在70～90 m3/s的流量范圍內運行，轉輪葉片背面負壓范圍不大，效率可達91%～92.45%，效率提高明顯，出力平均提高1 000～1 400 kW，尤其是額定工況下，效率提高9.45%、出力提高1 330 kW，性能優化明顯；超過95 m3/s 時，轉輪易發生空蝕，尾水管存在細小渦帶，但水輪機在此范圍內運行幾率不大；低于70 m3/s 的流量時，尾水管渦帶仍存在一定較粗的渦帶，但水輪機整體運行狀況良好。

對比以上兩種改造方案，如表4所示，方案2（同時改造轉輪和導水機構）導水機構與轉輪匹配度較為理想，水輪機各部件流道水力損失較小、抗空蝕性能得到增強，效率和出力得以提高。額定水頭工況下計算結果與模型試驗結果對比見圖5。

表4 改造前后各工況主要性能參數對比Tab.4 Comparison of main performance parameters in different working conditions before and after modification

4 結 論

本文通過兩種水輪機流道部件改造方案，利用CFD 進行三維仿真計算，分析了各典型工況下水輪機轉輪葉片云壓、導水機構及轉輪內部流道瞬時流速、尾水管流道瞬時流速，對比了水輪機效率和出力改善提高情況。結果表明，同時改造轉輪和導水機構，改善了混流式水輪機過流部件內部水力特性，提高了水輪機效率和抗空蝕性能，增加了出力，運行穩定性增強，降低了改造成本，為類似水輪機改造提供了一定的借鑒參考。 □