陳元林，李成峰，史千

(1 水力發(fā)電設(shè)備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱150040;2 哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱150001;

3 哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱150040)

0 引言

活動(dòng)導(dǎo)葉是反擊型水輪機(jī)中的重要通流部件，主要起導(dǎo)流作用。其主要功能是在機(jī)組起動(dòng)和運(yùn)行時(shí)控制水輪機(jī)的過(guò)機(jī)流量，保證轉(zhuǎn)輪進(jìn)口相應(yīng)的速度矩，調(diào)節(jié)水輪機(jī)軸端功率;在機(jī)組停機(jī)或故障時(shí)導(dǎo)葉關(guān)閉切斷水流，防止機(jī)組發(fā)生飛逸事故等?；顒?dòng)導(dǎo)葉對(duì)水輪機(jī)水力性能影響較大，其水力損失僅次于核心部件轉(zhuǎn)輪。影響水輪機(jī)性能的導(dǎo)葉參數(shù)很多，導(dǎo)葉高度、厚度、分布圓直徑等參數(shù)均對(duì)活動(dòng)導(dǎo)葉性能產(chǎn)生影響。由于不同翼型導(dǎo)葉具有不同的流體動(dòng)力學(xué)特征，導(dǎo)葉翼型的選擇則直接影響水輪機(jī)的整體性能水平。導(dǎo)葉翼型分正曲率、對(duì)稱曲率和負(fù)曲率三種。不同水頭范圍的水輪機(jī)其水力特性不同，因而對(duì)活動(dòng)導(dǎo)葉翼型設(shè)計(jì)的要求也不同。負(fù)曲率導(dǎo)葉在改善水輪機(jī)小開(kāi)度水力性能上具有明顯優(yōu)勢(shì)，因此在高水頭混流式水輪機(jī)上得到廣泛應(yīng)用。

本文主要從高水頭混流式水輪機(jī)的水力特性及其對(duì)活動(dòng)導(dǎo)葉設(shè)計(jì)的要求、導(dǎo)葉水力損失的影響因素和負(fù)曲率導(dǎo)葉的翼型特征、負(fù)曲率導(dǎo)葉對(duì)修正水流環(huán)量的作用等方面，闡述了負(fù)曲率導(dǎo)葉在高水頭混流式水輪機(jī)水力研發(fā)中的應(yīng)用。針對(duì)320m 水頭段錦屏二級(jí)水輪機(jī)研發(fā)項(xiàng)目，從不同翼型導(dǎo)葉雙列葉柵的水頭損失、壓力場(chǎng)、速度矢量場(chǎng)、截面流線等CFD 數(shù)值結(jié)果，以及兩種翼型導(dǎo)葉對(duì)水輪機(jī)效率影響的模型試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)負(fù)曲率和對(duì)稱曲率兩種翼型導(dǎo)葉的水力性能進(jìn)行了比較和論證分析，從工程應(yīng)用實(shí)例角度驗(yàn)證了負(fù)曲率導(dǎo)葉對(duì)改善導(dǎo)葉區(qū)流態(tài)和提高水輪機(jī)效率上的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

1 負(fù)曲率導(dǎo)葉的應(yīng)用原理分析

負(fù)曲率導(dǎo)葉多應(yīng)用于高水頭混流式水輪機(jī)，主要由高水頭混流式水輪機(jī)的水力特性對(duì)活動(dòng)導(dǎo)葉設(shè)計(jì)的要求、以及負(fù)曲率導(dǎo)葉對(duì)修正水流環(huán)量的作用等方面決定。

1.1 水力特性對(duì)活動(dòng)導(dǎo)葉設(shè)計(jì)的要求

高水頭混流式水輪機(jī)具有流量小、水力損失大、大流量區(qū)穩(wěn)定性能差等水力特性。由于流量小，翼型頭部水流撞擊損失占總損失的比重大;同時(shí)由于水頭高，水輪機(jī)流道具有導(dǎo)葉高度低、蝸殼斷面小等幾何特征，形成水流通道窄長(zhǎng)，流道內(nèi)水流速度高，水輪機(jī)沿程損失大;由于受到流量小和大流量區(qū)穩(wěn)定性差等水力特性限制，決定了高水頭混流式水輪機(jī)只能在小開(kāi)度區(qū)域運(yùn)行的顯著特點(diǎn)，進(jìn)一步增大機(jī)組運(yùn)行時(shí)活動(dòng)導(dǎo)葉的水力損失。高水頭混流式水輪機(jī)特有的水力特性，決定了活動(dòng)導(dǎo)葉的設(shè)計(jì)必須保證與轉(zhuǎn)輪和固定導(dǎo)葉間良好的匹配關(guān)系，以保障水輪機(jī)在小開(kāi)度運(yùn)行區(qū)域的水力效率等性能水平。

由此可見(jiàn)，減小水力損失，提高效率水平是高水頭混流式水輪機(jī)性能研發(fā)的主要目標(biāo)，而活動(dòng)導(dǎo)葉的合理設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。活動(dòng)導(dǎo)葉的相對(duì)水力損失可由式(1)［1］表示

由式(1)可知，導(dǎo)葉的相對(duì)損失與單位流量Q11、分布圓相對(duì)直徑ˉD0、相對(duì)高度ˉb0影響關(guān)系比較明確，與開(kāi)度a0的關(guān)系則比較復(fù)雜，因?yàn)閷?dǎo)葉阻力系數(shù)Cx和α∞(α∞—蝸殼來(lái)流速度和導(dǎo)葉出口速度的幾何平均速度v∞與圓周方向的夾角)均與開(kāi)度a0直接相關(guān)。圖1 為近期研發(fā)的國(guó)內(nèi)某500m 揚(yáng)程水泵水輪機(jī)雙列葉柵水頭損失系數(shù)(用hd/Q2表示，Q=Q11D2H0.5)與活動(dòng)導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系曲線。當(dāng)導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角小于一定值時(shí)其水力損失急劇上升，可見(jiàn)活動(dòng)導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角對(duì)水力損失的影響異常顯著。

導(dǎo)致活動(dòng)導(dǎo)葉在小開(kāi)度區(qū)水力損失增大的主要因素是小轉(zhuǎn)角工況時(shí)導(dǎo)葉進(jìn)口幾何安放角與水流角之間差值(即水流沖角)增大所導(dǎo)致的水力撞擊損失，以及由沖角引起的水流渦流所導(dǎo)致的水能耗散損失。負(fù)曲率導(dǎo)葉由于其特殊的翼型特征，在相同的出口水流角條件下，比正曲率和對(duì)稱曲率導(dǎo)葉具有更大的幾何安放角，從而減小小轉(zhuǎn)角工況時(shí)導(dǎo)葉進(jìn)口水流沖角。

圖1 雙列葉柵水頭損失系數(shù)隨導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角變化曲線

圖2 為錦屏二級(jí)水輪機(jī)研發(fā)中兩種導(dǎo)葉方案翼型特征及其與固定導(dǎo)葉的匹配關(guān)系特點(diǎn)。在最優(yōu)轉(zhuǎn)角18°時(shí)負(fù)曲率導(dǎo)葉幾何安放角比對(duì)稱導(dǎo)葉要大17°，可見(jiàn)采用負(fù)曲率翼型可大幅減小活動(dòng)導(dǎo)葉進(jìn)水邊頭部的水流沖角，提高小開(kāi)度區(qū)活動(dòng)導(dǎo)葉的水力性能。

圖2 錦屏二級(jí)活動(dòng)導(dǎo)葉翼型及與固定導(dǎo)葉匹配關(guān)系

2.2 負(fù)曲率導(dǎo)葉對(duì)水流環(huán)量改變的作用

活動(dòng)導(dǎo)葉對(duì)蝸殼出口水流環(huán)量具有一定的補(bǔ)充和修正作用，一般正曲率翼型導(dǎo)葉使繞流液流的環(huán)量減小，負(fù)曲率翼型導(dǎo)葉使液流的環(huán)量增加，而對(duì)稱曲率導(dǎo)葉不改變繞流液流的環(huán)量［1］。

混流式水輪機(jī)要適應(yīng)高水頭小流量運(yùn)行條件，轉(zhuǎn)輪需具有進(jìn)口直徑大和流道扁平狹長(zhǎng)的特點(diǎn)，因而轉(zhuǎn)輪進(jìn)口環(huán)量很大。要滿足轉(zhuǎn)輪進(jìn)口環(huán)量的要求，需要蝸殼具有小的出口水流角和平面控制尺寸，照此要求設(shè)計(jì)蝸殼將導(dǎo)致蝸殼中水流速度增大從而增加蝸殼的水力損失，影響水輪機(jī)的效率水平。為了滿足轉(zhuǎn)輪進(jìn)口環(huán)量和水輪機(jī)效率水平要求，蝸殼水力設(shè)計(jì)中環(huán)量不足的部分，只能通過(guò)采用負(fù)曲率導(dǎo)葉進(jìn)行修正和補(bǔ)充。

綜上所述，負(fù)曲率導(dǎo)葉用于高水頭混流式水輪機(jī)設(shè)計(jì)是由水輪機(jī)的水力特性和能量轉(zhuǎn)換的需求決定的，其特殊的翼型特征對(duì)提高高水頭混流式水輪機(jī)的水力效率等性能水平具有重要的意義。

3 負(fù)曲率導(dǎo)葉CFD 數(shù)值結(jié)果及性能

為便于說(shuō)明負(fù)曲率在高水頭混流式水輪機(jī)應(yīng)用中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，下面主要對(duì)錦屏二級(jí)水輪機(jī)研發(fā)項(xiàng)目中負(fù)曲率導(dǎo)葉的CFD 數(shù)值結(jié)果和水力性能進(jìn)行比較分析。錦屏二級(jí)電站最大凈水頭318.8m，單 機(jī) 容 量 600MW，總 裝 機(jī) 容量4 800MW，是雅礱江干流上梯級(jí)電站中水頭最高、裝機(jī)規(guī)模最大的水電站。模型水輪機(jī)水力優(yōu)化設(shè)計(jì)［2］中對(duì)負(fù)曲率和對(duì)稱曲率兩種導(dǎo)葉翼型均進(jìn)行了開(kāi)發(fā)，并在其它通流部件都不變的條件下，針對(duì)A919 轉(zhuǎn)輪完成了兩種翼型導(dǎo)葉對(duì)水輪機(jī)效率影響的對(duì)比試驗(yàn)，最終采用水力性能更為理想的負(fù)曲率翼型導(dǎo)葉用于本項(xiàng)目水輪機(jī)的研發(fā)。

負(fù)曲率與對(duì)稱曲率導(dǎo)葉設(shè)計(jì)結(jié)果如圖2 所示。采用動(dòng)態(tài)流體計(jì)算(CFD)手段對(duì)兩種不同翼型導(dǎo)葉雙列葉柵進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，其水力損失數(shù)值計(jì)算結(jié)果如表1所示。相應(yīng)的水頭損失系數(shù)比較如圖3 所示;導(dǎo)葉頭部區(qū)域壓力梯度分布比較如圖4 所示;負(fù)曲率導(dǎo)葉截面流線及速度矢量場(chǎng)如圖5 所示。

表1 負(fù)曲率與對(duì)稱曲率翼型導(dǎo)葉雙列葉柵CFD 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

圖3 不同曲率翼型導(dǎo)葉雙列葉柵水頭損失系數(shù)變化

由表1 和圖3 可知，在較大的轉(zhuǎn)角和流量范圍內(nèi)，負(fù)曲率導(dǎo)葉的水力損失比對(duì)稱曲率導(dǎo)葉的小，且差值隨轉(zhuǎn)角的減小而增大，說(shuō)明負(fù)曲率導(dǎo)葉比對(duì)稱導(dǎo)葉具有更高的水力效率，更易保證水輪機(jī)小開(kāi)度區(qū)的高效率水平。

圖4 負(fù)曲率和對(duì)稱曲率導(dǎo)葉頭部壓力梯度分布

由圖4 可知，負(fù)曲率導(dǎo)葉水輪機(jī)模型最優(yōu)效率比對(duì)稱曲率導(dǎo)葉高近0.3%，進(jìn)一步驗(yàn)證了負(fù)曲率導(dǎo)葉在提高水輪機(jī)水力效率上的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，負(fù)曲率導(dǎo)葉頭部繞流更理想，反映水流沖角的壓力駐點(diǎn)偏離翼型頭部很小，吸力面壓力梯度分布均勻，不存在壓力突變現(xiàn)象;對(duì)稱曲率導(dǎo)葉壓力駐點(diǎn)向壓力面偏離翼型頭部較遠(yuǎn)，在最優(yōu)轉(zhuǎn)角下有較大的水流沖角，吸力面壓力梯度變化較大，存在明顯的局部壓力突變現(xiàn)象和低壓區(qū)。對(duì)稱曲率導(dǎo)葉翼型頭部液流沖角大使繞流水流發(fā)生分離和壓力突變現(xiàn)象，從而誘導(dǎo)了脫體渦流的產(chǎn)生，導(dǎo)致水能耗散和局部低壓，增大了導(dǎo)葉的水力損失和局部空蝕破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 錦屏二級(jí)活動(dòng)導(dǎo)葉截面流線及速度矢量場(chǎng)分布圖

由圖5 可知，錦屏二級(jí)研發(fā)項(xiàng)目負(fù)曲率導(dǎo)葉設(shè)計(jì)成果，最優(yōu)轉(zhuǎn)角時(shí)頭部速度矢量均勻分布梯度合理，幾乎達(dá)到無(wú)撞擊來(lái)流。截面流線表明，導(dǎo)葉翼型繞流異常平順，無(wú)分離渦流等現(xiàn)象發(fā)生，有益于導(dǎo)葉水力性能的提高。

根據(jù)水輪機(jī)效率對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，兩種翼型導(dǎo)葉水輪機(jī)模型最優(yōu)效率比較如圖6 所示。

圖6 A919 轉(zhuǎn)輪在不同翼型導(dǎo)葉下最優(yōu)效率試驗(yàn)結(jié)果

綜上所述，負(fù)曲率導(dǎo)葉具有更小的水力損失和更為理想的水流流態(tài)，試驗(yàn)結(jié)果也表明，使用負(fù)曲率導(dǎo)葉水輪機(jī)水力效率得到較為明顯的提升。

3 結(jié)語(yǔ)

由于高水頭混流式水輪機(jī)流量小、水力損失大、小開(kāi)度區(qū)運(yùn)行等缺點(diǎn)，這對(duì)活動(dòng)導(dǎo)葉的水力設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)格的要求。負(fù)曲率導(dǎo)葉特殊的翼型特征，在改善小轉(zhuǎn)角時(shí)頭部繞流、降低小開(kāi)度區(qū)水力損失、提高高水頭混流式水輪機(jī)效率水平等方面具有顯著作用，更適用于高水頭大容量混流式水輪機(jī)的研發(fā)。負(fù)曲率導(dǎo)葉應(yīng)用于我國(guó)錦屏二級(jí)高水頭大容量混流式水輪機(jī)研發(fā)項(xiàng)目中，其顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在工程實(shí)踐中得到了成功的驗(yàn)證，可為我國(guó)未來(lái)雅魯藏布江流域規(guī)劃建設(shè)的大批量高水頭大容量混流式水輪機(jī)的水力研發(fā)提供借鑒。

［1］ 程良駿.水輪機(jī)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1981.10.

［2］ 張樂(lè)福，陳元林，張亮.錦屏二級(jí)電站水輪機(jī)水力優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.大電機(jī)技術(shù)，2008.