苗 雁，李任飛

（哈爾濱大電機(jī)研究所，哈爾濱 150040）

1 前言

新安江水電站位于浙江省錢塘江上游的新安江上，距杭州市170km，廠內(nèi)共裝機(jī)9臺(tái)，原總裝機(jī)容量為662.5MW，主要擔(dān)負(fù)華東電網(wǎng)的調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用，并兼有防洪、灌溉、航運(yùn)等多重作用。

隨著CFD技術(shù)在流體機(jī)械領(lǐng)域的普遍應(yīng)用，水輪機(jī)的水力設(shè)計(jì)水平在近十年左右的時(shí)間得到了質(zhì)的提高，哈爾濱大電機(jī)研究所應(yīng)用先進(jìn)的CFD技術(shù)配合現(xiàn)代流體機(jī)械測(cè)量技術(shù)對(duì)多個(gè)電站成功進(jìn)行增容改造，并取得了較好的效果。2001年哈爾濱大電機(jī)研究所針對(duì)客戶要求對(duì)新安江2號(hào)機(jī)進(jìn)行了增容改造設(shè)計(jì)，新設(shè)計(jì)的A788轉(zhuǎn)輪與原PO662轉(zhuǎn)輪相比無論在效率上還是在出力都有較大提高，并有效地消除了原轉(zhuǎn)輪中的空蝕破壞。下面給出原PO662轉(zhuǎn)輪與A788轉(zhuǎn)輪的參數(shù)比較

A788轉(zhuǎn)輪與PO662相比轉(zhuǎn)輪總體高度要高，這樣改造后的轉(zhuǎn)輪安裝在原有通道中，由于轉(zhuǎn)輪出口下移，使得新轉(zhuǎn)輪會(huì)進(jìn)入原錐管，并出現(xiàn)明顯的流道突變，對(duì)流態(tài)存在不利影響。為了避免這種情況，在進(jìn)行改造時(shí)，對(duì)原有錐管也進(jìn)行了改造，在原錐管內(nèi)增加了過渡段，過渡段一端與轉(zhuǎn)輪出口連接，另一端與原錐管連接從而使得過流部件光滑連接。圖1給出了A788軸面流道及PO662轉(zhuǎn)輪軸面流道及部分錐管流道。從中可以看出二者的差別。

表1 HL662轉(zhuǎn)輪與A788轉(zhuǎn)輪參數(shù)比較

2號(hào)機(jī)改造經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行后，發(fā)現(xiàn)在過渡段的進(jìn)口段存在嚴(yán)重的空蝕破壞，空蝕區(qū)位于過渡段至進(jìn)口過渡段進(jìn)口向下200mm處。

圖1 改造前后轉(zhuǎn)輪軸面（含部分錐管）

2 原因分析

根據(jù)空蝕發(fā)生的位置及空蝕情況，初步分析認(rèn)為：由于改造后轉(zhuǎn)輪的流量比原轉(zhuǎn)輪又有較大程度地增加，這樣會(huì)使轉(zhuǎn)輪出口的速度有很大地提高，引起壓力降低，為空蝕的發(fā)生創(chuàng)造了條件；增加的轉(zhuǎn)輪與原錐管之間的過渡段盡管消除了流道的突變，但仍然在流道中存在著局部急劇擴(kuò)散問題，過大的錐管錐角會(huì)導(dǎo)致局部脫流，并引起壓力降低，產(chǎn)生脫流空化，并導(dǎo)致空蝕破壞；同時(shí)尾水管進(jìn)口處采用普通鋼，抗空蝕性能差，這是空蝕破壞的內(nèi)因。

上述分析定性地說明了新安江2號(hào)機(jī)改造后空蝕的產(chǎn)生原因，為了對(duì)上述分析提供理論上的支持，同時(shí)也為了能夠更加準(zhǔn)確地定量分析，我們采用CFD軟件TASCflow進(jìn)行了A788轉(zhuǎn)輪與尾水管的聯(lián)合計(jì)算，計(jì)算域包括全部轉(zhuǎn)輪、錐管過渡段、錐管、肘管及擴(kuò)散段（見圖2）。計(jì)算在模型轉(zhuǎn)輪上進(jìn)行，模型轉(zhuǎn)輪直徑為D1m=350mm。我們分別計(jì)算了最優(yōu)工況和額定工況，進(jìn)口條件為流量進(jìn)口，根據(jù)相應(yīng)工況的導(dǎo)葉開口計(jì)算得到來流角。出口條件設(shè)為壓力出口，出口壓力取為0。轉(zhuǎn)輪部分的壁面為旋轉(zhuǎn)壁面，其余壁面為靜止壁面，轉(zhuǎn)輪出口與尾水管進(jìn)口的動(dòng)靜連接采用時(shí)均化處理。重點(diǎn)分析了錐管過渡段的壓力分布并借此了解這里的空化性能。

CFD計(jì)算結(jié)果表明，在各工況下，轉(zhuǎn)輪內(nèi)部的速度壓力分布都比較理想，這證明了轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)的合理性。由于本文主要關(guān)注錐管空蝕問題，因此在這里不詳述轉(zhuǎn)輪的計(jì)算結(jié)果。而額定工況低壓區(qū)的壓力比最優(yōu)工況還要低，空化現(xiàn)象更為嚴(yán)重，因此在本文中我們只進(jìn)行額定工況的結(jié)果分析。圖3給出了錐管側(cè)壁壓力，通過觀察錐管側(cè)壁壓力可以看出錐管進(jìn)口附近都存在低壓區(qū)，該低壓區(qū)造成了錐管進(jìn)口的空蝕。將CFD計(jì)算結(jié)果換算到原型機(jī)，并根據(jù)機(jī)組安裝高程及吸出高度可以算出在錐管進(jìn)口段 200mm范圍附近的平均壓力為40886Pa，最低壓力為28378Pa。

圖2 A788轉(zhuǎn)輪及尾水管計(jì)算域

圖3 原始方案錐管過渡段壁面壓力

3 改進(jìn)方案比較

為了提高錐管上的壓力，減弱空蝕的影響，決定在錐管進(jìn)口處適當(dāng)減緩流道的擴(kuò)散程度，以圓弧過渡代替直線過渡，這樣有助于緩解這里速度的變化，避免脫流，在一定程度上削弱空蝕的發(fā)生。基于這種思想，我們比較了幾種錐管過渡段，分別為圖4中的小圓弧過渡方案（R=2887.6mm），大圓弧過渡方案（R=5857.1mm），及介于二者之間的方案（R=4285.7mm），并分別進(jìn)行了CFD分析。各方案的工況點(diǎn)與邊界條件和原尾水管完全一致，以下給出各方案的部分計(jì)算結(jié)果和CFD分析。

圖4 初始改進(jìn)方案與原過渡段比較

3.1 方案1（小圓弧方案R =2887.6mm）

圖5給出了本方案在額定工況的計(jì)算結(jié)果，通過比較本方案與原尾水管的計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)本方案的低壓區(qū)在錐管上的位置要向下一些，低壓區(qū)范圍擴(kuò)大很多，在最優(yōu)工況低壓值有一定程度的升高，但不明顯。在額定工況低壓上升幅度要大一些。本方案額定工況錐管進(jìn)口段 200mm范圍附近的平均壓力為41465Pa，最低壓力為34017Pa。

圖5 方案1錐管過渡段壁面壓力

3.2 方案2（大圓弧方案R =5857.1mm）

圖6給出了本方案在額定工況的計(jì)算結(jié)果。本方案與方案1及原尾水管相比可以看出，本方案的壓力變化在過渡段的上部要緩和得多，在過渡段的下部本方案的壓力要低于原方案，同時(shí)本方案的低壓區(qū)要比原尾水管小，低壓程度也要好于原尾水管，但在肘管內(nèi)側(cè)進(jìn)口處低壓變化不明顯。本方案額定工況錐管進(jìn)口段200mm范圍附近的平均壓力為41050Pa，最低壓力為30713Pa。

圖6 方案2錐管過渡段壁面壓力

3.3 方案3（折衷方案R =4285.7mm）

圖7給出了本方案在額定工況的計(jì)算結(jié)果。通過分析比較這些結(jié)果可以算出，在額定工況，本方案對(duì)低壓區(qū)的比方案2好，尤其在肘管內(nèi)側(cè)進(jìn)口處低壓的提高較方案 2明顯。本方案額定工況錐管進(jìn)口段200mm范圍附近的平均壓力為41026Pa，最低壓力為31426Pa。

圖7 方案3錐管過渡段壁面壓力

表2 最低壓力計(jì)算結(jié)果比較 Pa

通過表2可以得到三個(gè)方案與原始方案錐管最低壓力比較，通過表 3可以得到三個(gè)方案在錐管進(jìn)口的平均壓力以及方案 1錐管中間段的平均壓力。通過綜合比較可以認(rèn)為三個(gè)改進(jìn)方案都極大程度地提高了錐管內(nèi)部的壓力，從而有效削弱空蝕的發(fā)生，方案3與方案1各有特點(diǎn)，優(yōu)于方案2?？梢钥吹椒桨?的最低壓力及進(jìn)口平均壓力均高于方案 3，但通過觀察圖 5可以看出方案1的低壓區(qū)下移，低壓范圍較大。而方案3盡管壓力比方案1稍低，但低壓范圍較小，為了更進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，我們基于方案1與方案3又進(jìn)行微調(diào)、優(yōu)化，并得到了最終的方案（圖8）。

圖8 最終方案

表3 進(jìn)口平均壓力計(jì)算結(jié)果比較 Pa

最終方案在錐管過渡段進(jìn)口附近壓力比方案1略低一些（見表3），高于其他方案，但此最低值與方案1的最低壓力相當(dāng)，但低壓范圍比方案1小。而對(duì)比最低壓力最終方案與方案1相當(dāng)，要明顯好于其他方案（見表 2）。因此，認(rèn)為最終方案的低壓水平與方案 1相當(dāng)，但低壓范圍明顯減小，因此將其確定為我們得到的最終方案。該方案在額定工況錐管進(jìn)口處平均壓力提高5%左右，最低壓力提高10%左右，會(huì)較好改善錐管進(jìn)口的空化。

4 結(jié)論

隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，上世紀(jì)60年代、70年代服役的一些水電機(jī)組陸續(xù)進(jìn)入改造期。受當(dāng)時(shí)技術(shù)的限制，當(dāng)初的水輪機(jī)在設(shè)計(jì)水平上與當(dāng)代技術(shù)相比存在著比較大的差距，因此，電站在改造時(shí)用新研制的轉(zhuǎn)輪來代替已有轉(zhuǎn)輪從而提高效率、提高出力也是合理的。與新建電站不同，舊電站改造時(shí)受土建、結(jié)構(gòu)等因素影響，往往只更換轉(zhuǎn)輪及部分導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，不可能對(duì)已有通道進(jìn)行大規(guī)模改進(jìn)。這樣就存在著這樣的問題，即如何讓新轉(zhuǎn)輪與已有的舊通道更好地匹配，充分發(fā)揮新轉(zhuǎn)輪的優(yōu)秀特性。當(dāng)新轉(zhuǎn)輪與已有舊通道不能合理配合時(shí)，就容易發(fā)生各種問題，如出力不足，出現(xiàn)空化等。

新安江電站2號(hào)機(jī)改造后，由于轉(zhuǎn)輪與已有尾水管配合存在局部急劇擴(kuò)散現(xiàn)象引起了這里的空化，就是一個(gè)這樣的例子。通過適當(dāng)修改錐管部分流道，可以削弱錐管中的空化，在一定程度上解決這個(gè)問題。新安江電站2號(hào)機(jī)的問題提醒我們?cè)谶M(jìn)行舊機(jī)組改造時(shí)要特別注意流道變化的影響。更多關(guān)于流道變化對(duì)水輪機(jī)性能影響的研究仍在進(jìn)行中。