浅谈混流式水轮机内流场对机组性能的影响

黄 鑫， 郭 永 洪， 马 志 军， 苏 豪 娟

(1.四川省紫坪铺开发有限责任公司，四川 成都 610000；2.都江堰双柏电力有限责任公司，四川 都江堰 611830)

0 引 言

水轮发电机组运行性能的好坏，直接影响到水电站乃至电力系统的经济与安全运行[1]。因此，提高水轮机组的效率及稳定性对国家的能源战略具有重大而深远的意义。近年来，随着水利水电工程的发展，水轮发电机组的单机容量和尺寸不断增大，水轮机的转速也随之提高，但在稳定运行方面却出现了越来越多的问题，严重影响了机组的安全稳定运行。

目前，国内外针对水轮机内水流扰动问题的研究方法主要有理论分析、模型试验、真机试验和数值分析四种。本文采用数值模拟的方法，利用Fluent软件对某型号混流式水轮机内流场进行数值模拟，分析该型号水轮机在不同工况下的运行特性，并讨论运行工况对机组水力性能的影响，为水轮机的设计和水力机组的运行方式提供参考。

1 模型及计算方法

1.1 物理模型及网格

利用UG软件对水轮机进行物理建模，包括蜗壳、座环、导叶、转轮和尾水管，用Gambit软件对模型进行网格划分。由于模型较复杂，采取分块划分的方式，分别对蜗壳、座环、导叶、转轮、尾水管水体划分网格。采用结构化网格和非结构化网格相结合的方式，并对流动状态变化较大区域的网格进行局部加密，最终网格节点数98万。

1.2 数学模型

水轮机内的水流流动是一个复杂的三维不可压缩粘性湍流，可用流体的连续方程和N-S方程描述。即：

(1)

(2)

式中ρ为密度；ui、uj为平均速度(i，j=1，2，3)；pn为等效压力；μe为流体粘性系数。

采用RNGk-ε模型使方程封闭：

(3)

(4)

0.012。

1.3 边界条件及计算方法

由于水轮机内部水流流动是一个复杂的三维不可压缩粘性涡流，因此，采用分离式求解器稳态求解时均N-S方程。湍流模型选择RNGk-ε模型，蜗壳进口断面设为速度入口，尾水管出口设为outflow，不同流体域之间的数据交换采用差值的方式，交界面设为interface，用滑移网格模型处理转轮区域与导叶、尾水管区域的耦合问题，上冠、下环和导叶壁面均设为Moving Wall。速度压力耦合采用经典的SIMPLE算法。为了更精确的模拟湍流，动量方程中的对流项离散格式设置为二阶迎风格式，其他方程采用默认格式。

1.4 工况点的选取

随着导叶开度的不同，水轮发电机组会经历几个不同的工况区。根据机组运转特性曲线，可将机组划分为低效率工况区、强涡带工况区和稳定运行区。为了便于分析和比较，分别在最大水头、最小水头、设计水头下各选择一个工况点进行计算。各工况点参数如下表1所示。

表1 工况点参数表

2 计算结果及分析

2.1 导叶区域流场计算结果及分析

水流流经蜗壳进入固定导叶区域，在固定导叶部分形成速度环量，保证流量沿圆周方向均匀分配。活动导叶通过改变导叶开度控制流入转轮区域的流量，引导水流按一定的方向进入转轮，形成与改变进入转轮的水流环量，从而达到调整出力的目的。通过模拟实验，得出结果是三种工况下固定导叶背面压力均小于正面压力，活动导叶头部到尾部压力逐渐降低，速度逐渐增大，在圆周方向对称性较好。固定导叶和活动导叶头部有较小的撞击，但没有形成脱流，可通过改变导叶安放角度来调整其头部水流撞击问题。总体来说，导叶区域水流状态尚可。

2.2 转轮区域流场计算结果及分析

水流通过转轮时，一方面沿弯曲的叶片做相对运动，另一方面又随叶片旋转，流动十分复杂。水流经过导叶引导后，应基本沿轴向均匀分配，各叶片上压力、速度应呈中心对称。从实验中可以看出，三种工况下，叶片正面从进水边到出水边逐渐降低，正、背两面形成一定的压力差；工况1条件下，叶片正、背面压力等值线与进出水边有一定角度，但总体尚可，基本可以满足要求；工况2条件下叶片正、背面进水边附近压力等值线基本与进水边平行，而出水边附近压力等值线与出水边近似垂直，在出水边靠近下环处形成回流，叶片背面从进水边到出水边压力逐渐增大，在出水边靠近上冠的位置压力达到最大，此种压力分布对叶片的强度提出了较高要求；工况3条件下叶片正、背面压力从进水边到出水边逐渐降低，压力等值线与进出水边基本平行，进水边压力梯度大于出水边，但在背面靠近下环处压力较低，此部位易造成空化空蚀现象。总体来说，工况1、工况3条件下，转轮叶片压力分布尚可，工况1在进水边背面附近形成小范围负压区，易造成空化空蚀现象，而工况3条件下空化空蚀区转移至叶片背面靠近下环的大片区域，工况2条件对水轮机运行较不利，叶片背面存在大范围的空蚀区域。

2.3 尾水管区域流场计算结果及分析

尾水管作用是要将转轮出口水流引向下游，利用转轮高出下游水面的那一段位能，并要回收一部分转轮的出口动能，其内部流态主要依赖于转轮出口水流的流态。水流流经肘管弯曲部分时，流线发生弯曲，肘管底部附近压力会增大，流速降低，而上部压力减小，流速增大，造成下部水流收缩，上部水流扩散，形成涡流滞水区。水流流经水平扩散段时，由于离心力的作用逐渐消失，断面压力分布又趋于均匀，在肘管段具有较高压力的水流此时压力要降低，水流加速呈收缩状；肘管段压力较低、流速较高的水流此时压力增加、流速降低，水流呈扩散状，形成另一涡流滞水区。同时，由于转轮的旋转作用，在直锥段及肘管段中的水流呈螺旋形运动，直到水平扩散段才逐渐消失。图1-图3给出了三种工况下尾水管内水流迹线图，从图中可以看出，工况1下尾水管进口水流圆周方向速度几乎为零，基本没有涡带，水流状态较好；工况2下尾水管进口水流有一定的圆周速度，在直锥段产生较小涡带，并在发展至尾端过程中

图1 工况1尾水管水流迹线图

逐渐减弱；工况3下尾水管进口水流圆周速度较大，在直锥段产生较强涡带，并在发展至尾部时没有减弱，在尾水管出口位置还存在有较大旋涡。

图2 工况2尾水管水流迹线图

图3 工况3尾水管水流迹线图

3 结 论

本文利用CFD技术对某电厂水轮机内流场进行数值模拟，得到三种工况下导水机构、转轮叶片及尾水管内的水流变化规律。研究表明，该水轮机在设计水头下运行时，各部件水力性能表现相对良好；在偏离设计水头运行时，各个部件水力性能表现不一，水流状态不理想，水力部件的结构有待改善，同时，也可通过调整机组的运行范围，达到保护机组的目的。