梨树园子水电站混流式水轮机尾水管优化设计研究

(辽宁润中供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110003)

1 工程概况

梨树园子水电站属于爱河梯级开发第五级水电站，坝址位于辽宁丹东凤城市石城镇梨树园子村西的爱河上游干流上，是一座以发电为主的小型径流式水电站。电站装机容量22400kW，设计库容1800万m3，设计洪水标准为100年一遇，校核洪水标准1000年一遇。

梨树园子水电站采用的混流式水轮机组，其基本参数如下：固定导叶和活动导叶分别为23个，长叶片和短叶片均为15个，共30个叶片。水轮机的吸出高度为-8.35m，额定流量为1.55m3/s，转轮机直径为0.70m。此外，水轮机尾水管还有两个支墩。混流式水轮机具有结构简单、空化性能好以及效率高等诸多优势，在当前的水电站建设中得到了广泛应用，但是，由于设计不科学或水轮机内部的过流部件中不稳定水流的作用，容易造成尾水管中偏心螺旋涡带和压力脉动，对机组的稳定运行十分不利[1,2]，因此，加强混流式水轮机尾水管流场改善措施研究，具有十分重要的理论和实践意义。

2 水轮机三维有限元计算模型

2.1 模型的建立与网格划分

混流式水轮机组中各个部件的几何建模以及网格划分的质量，对数值模拟计算结果的精度和工程应用价值有显著影响[3]。目前，一般的流体机械设计中的Pro/E、catia、solidworks、UG三维建模软件均具有比较强大的功能[4]。本文采用UG软件对水轮机的所有过流部件进行三维模型构建，并导入ICEM-CFD软件进行网格划分[5]。最终获得4995753个网格单元、5500353个计算节点。尾水管部分的网格划分示意图见图1。

图1 尾水管网格划分示意图

2.2 边界条件

利用数值计算模型进行求解计算和处理之前，需要设置研究对象的物理边界条件，其中模型的进口边界条件通过水轮机进口边界的质量流量确定[6]，流速方向为与进口断面垂直的方向，流量的大小通过各工况的流量值确定。由于尾水管的出口经常存在回流现象，因此，将出口边界条件设置为压力边界[7]。模型的壁面边界条件设定为固体光滑壁面条件，近壁面部位的流体流速为零。

2.3 计算工况

由于水轮机组尾水管的空腔涡带压力脉动现象，主要产生于机组的非设计工况下[8]，本次研究设计了小流量工况(工况1)和部分荷载工况(工况2)进行尾水管流态研究，其中，小流量工况的相对导叶开度为37.9%，单位流量为900L/s，单位转速为78r/min；部分荷载工况的相对导叶开度为60.0%，单位流量为1100L/s，单位转速为95r/min。

3 原设计方案的模拟计算结果与方案优化

3.1 原设计方案的模拟计算结果

利用构建的三维有限元模型，对梨树园子水电站水轮机组在两种不同工况下的尾水管流态进行数值模拟(见图2～图5)。由图可知，在两种工况下，机组

图2 工况1原方案尾水管子午面流线

图3 工况2原方案尾水管子午面流线

图4 工况1原方案尾水管涡带形态

图5 工况2原方案尾水管涡带形态

尾水管的流态整体较差，流线比较紊乱，存在比较明显的回转涡流现象。从尾水管涡带的形态来看，在两种工况下，尾水管涡带的形态比较复杂且偏心距较大。

3.2 尾水管流场改善方案

针对原设计方案下水轮机组尾水管中存在的偏心螺旋形涡带可能诱发的机组共振，拟采取如下的尾水管流场改善方案：ⓐ加长水轮机的原泄水锥，加长长度为针轮机直径的0.18倍，使其底部与转轮下环的出口位于同一平面，这种设计已经在安康电厂等新机组中得到验证；ⓑ采用主轴中心补水，也就是沿着水轮机主轴中心孔经过转轮的空心部分最后在泄水锥的底部将水补入尾水管，以减小尾水管的低压区域，进而抑制尾水管涡带的发展；ⓒ在尾水管弯肘部位安装导流板，通过减弱涡带对管壁的撞击，以改善振动。

4 优化方案尾水管流态改善效果分析

4.1 流线

利用构建的三维有限元模型，对优化方案下的水轮机尾水管流态进行数值模拟计算(见图6和图7)。通过两种工况下优化前后的尾水管流线图对比可知，在小流量工况下，尾水管的流量较小、流速较低，虽然优化设计方案并没有完全消除尾水管内的漩涡现象，但对局部水流的平缓作用比较明显，特别是直锥段的高速水流速度明显降低，弯肘段的两个大漩涡转变为一个小漩涡。鉴于小流量条件下的尾水管流态紊乱现象十分严重，因此，优化方案在稳流方面具有明显的效果。在部分荷载工况下，原设计方案尾水管各个部位存在着形态不同、大小不同的漩涡，整体流态较差，而在优化方案条件下，尾水管的弯肘段和扩散段漩涡基本消失，直锥段虽然仍存在漩涡，但是强度显著减弱，特别是扩散段的流线基本呈直线形态，说明水流平稳顺畅，水流形态得到明显改善。

图6 工况1优化方案尾水管子午面流线

图7 工况2优化方案尾水管子午面流线

4.2 尾水管涡带

利用模型计算的结果见图8和图9。由图可知，在工况1，也就是小流量工况下，原设计方案存在螺旋状的涡带，并且体积和偏心率较大，在优化设计方案下，水轮机尾水管中的涡带基本消失，仅在泄水锥的下部存在空腔，但是体积极小。究其原因，主要是加长泄水锥可以使涡带明显下移，而主轴中心孔补水措施有利于涡带空腔和偏心率的大幅减小，而弯肘段导流板的导流分流作用则进一步抑制了水体的涡旋脉动作用。从部分负荷工况来看，尾水管涡带变化情况与小流量工况基本一致，优化方案下的涡带体积与偏心率明显降低，仅在泄水锥的下方存在极小体积的空腔。由此可见，优化方案对涡带的减小意味着压力脉动的减弱，这对降低机组共振十分有利。

图8 工况1优化方案尾水管涡带

图9 工况2优化方案尾水管涡带

4.3 涡流黏度

对两种工况下原方案和优化方案的尾水管涡流黏度进行对比(见图10～图13)可知，小流量工况下原方案尾水管弯肘段的涡流黏度偏大，部分点达到了11Pa·s，而优化方案下基本都在7Pa·s以下。部分负荷工况下原方案尾水管进口和直锥段的涡流黏度偏大，基本都在8～10Pa·s，而优化方案下基本都在2Pa·s以下。从涡旋黏度来看，优化方案在相当程度上改善了尾水管流体的涡脉动，对尾水管内的水流从扩散段平稳流出具有显著的积极影响。

图10 工况1原方案尾水管涡流黏度

图11 工况1优化方案尾水管涡流黏度

图12 工况2原方案尾水管涡流黏度

图13 工况2优化方案尾水管涡流黏度

4.4 水轮机效率

为探明优化方案对水轮机效率的影响，对不同工况下原方案和优化方案的转轮效率以及水轮机效率进行计算(见表1)。由表中数据可知，转轮和水轮机在不同方案和不同工况下具有不同的效率值，在优化方案下，水轮机和转轮的效率既有提高也有降低，同时，提高或降低的幅度较小。因此，优化方案对水轮机效率的影响极为有限。本文的尾水管改善措施能够在保证机组出力不受影响的情况下，显著改善尾水管流态，建议在工程设计中使用。

表1 不同工况下水轮机和转轮效率值

5 结 语

为探究混流式水轮机尾水管内部的水流流态，为水轮机尾水管结构设计提供理论支持，本文以具体工程为依托，通过数值模拟方法对梨树园子水电站混流式水轮机尾水管原设计方案的流态进行建模分析，并根据分析结果提出了具体的优化设计方案。模拟结果显示，尾水管优化设计能够在保证机组出力不受影响的情况下，显著改善尾水管流态，建议在工程设计中使用。当然，本次研究仅限于理论层面，许多具体的工程技术问题仍待进一步完善。例如，在真实工况下，导流板可能遭到大流量、高强度的冲刷，需要采用强度高、刚度大和抗磨蚀性好的导流板材料。