趙紹勇

（東方電氣集團(tuán) 東風(fēng)電機(jī)有限公司，四川 樂(lè)山 614000）

尾水管是水輪機(jī)重要的過(guò)流部件，主要的作用[1]是使轉(zhuǎn)輪出口處水流壓力下降，造成真空，來(lái)收回水流離開轉(zhuǎn)輪時(shí)的部分動(dòng)能和收回轉(zhuǎn)輪高出下游水面的那一段位能。由此可見，其水力性能的優(yōu)越與否，直接關(guān)系到整機(jī)的運(yùn)行效率。因此，要在設(shè)計(jì)中保證尾水管的高性能，顯得尤為重要。必須根據(jù)電站的實(shí)際情況（如最大流量Qmax、平均流量Qav、水頭H等），選擇合理的尾水管類型，然后才能建立其模型，并進(jìn)行流場(chǎng)數(shù)值模擬，預(yù)估它的性能。因此，本文在土耳其Cermilker電站的混流式水輪機(jī)尾水管設(shè)計(jì)中，選擇了合適得參數(shù)，建立了光滑的尾水管模型，再進(jìn)行了數(shù)值模擬，設(shè)計(jì)出了性能良好的尾水管。

1 尾水管類型的選擇

通常情況下，水輪機(jī)尾水管設(shè)計(jì)的首要步驟，是進(jìn)行選型。具體的操作分為兩步：（1）結(jié)合電站的相關(guān)測(cè)量參數(shù)，確定轉(zhuǎn)輪直徑D、轉(zhuǎn)速v、效率η并選擇合理的機(jī)組型號(hào)；（2）根據(jù)機(jī)組型號(hào)，選擇與之對(duì)應(yīng)的尾水管類型（如直錐式、彎肘式等）。在土耳其Cermilker電站的尾水管類型選擇中，由于機(jī)組型號(hào)在此之前已經(jīng)確定為混流式。因此，按照上述方法，應(yīng)該選擇的尾水管的類型為彎曲形[1]，當(dāng)量錐角計(jì)算公式為：

2 尾水管模型的構(gòu)建

圖1 尾水管流線圖

圖2 尾水管流場(chǎng)模型

尾水管流道模型可以看做是空間中的多個(gè)平面按照一定規(guī)律排列的橋接體。因此，模型的建立，主要是針對(duì)各肘管斷面來(lái)進(jìn)行的，即光滑的非規(guī)則曲面搭接相鄰斷面，使之成為一個(gè)整體。土耳其Cermilker電站尾水管模型建立的步驟是：（1）根據(jù)文獻(xiàn)[2-3]的方法，計(jì)算各斷面尺寸；（2）在空間中的對(duì)應(yīng)位置，繪制平面草圖，組成尾水管單線圖（如圖1所示）；（3）按次序搭接相鄰斷面，生成尾水管流場(chǎng)模型（如圖 2所示）。

3 尾水管流場(chǎng)計(jì)算機(jī)仿真

3.1 湍流模型的確定

根據(jù)電站的水紋參數(shù)條件，在數(shù)值計(jì)算中，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)kε雙方程模型[3]，計(jì)算方程式如下：式中，μt為湍流渦粘系數(shù)，k為湍流脈動(dòng)動(dòng)能，ε為湍流耗散率，Gk

是由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的生成項(xiàng)。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

圖3 進(jìn)口速度給定

圖4 壓力分布圖

尾水管的水力性能的模擬，首先，要對(duì)模型劃分網(wǎng)格[4]，即空間離散操作；然后，設(shè)置邊界條件（對(duì)本模型而言，需要設(shè)置速度進(jìn)口和自由出流兩個(gè)邊界條件，進(jìn)口速度給定如圖3所示）；最后，展開數(shù)值模擬計(jì)算，尾水管的流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖4～圖5所示。

結(jié)果分析：

（1）由圖4所示，尾水管流場(chǎng)的壓強(qiáng)分布狀態(tài)為：進(jìn)口至出口由小到大，且變化呈均勻狀態(tài)，斷面壓強(qiáng)逐級(jí)的變化過(guò)程中壓差很小，水頭損失較小，效率較高。

（2）由圖5所示，速度由進(jìn)口至出口呈由小到大的均勻變化規(guī)律，沒(méi)有回流現(xiàn)象的出現(xiàn)，流態(tài)很好。

綜上所述，該電站水輪機(jī)尾水管性能非常良好，符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

本文以電站實(shí)際測(cè)量參數(shù)為依據(jù)，確定了水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的型號(hào)，選擇了彎肘形尾水管，并計(jì)算出了各個(gè)斷面的參數(shù)。然后，根據(jù)這些參數(shù)建立了尾水管的三維流場(chǎng)模型，并進(jìn)行了數(shù)值仿真模擬。良好的仿真結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的合理性。但是，本文采用的設(shè)計(jì)方法，還是主要以理論計(jì)算為主，缺乏水力模型試驗(yàn)這一環(huán)節(jié)，產(chǎn)品性能偏差狀態(tài)無(wú)法了解。因此，該設(shè)計(jì)方法也存在著一定的局限性。未來(lái)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要結(jié)合模型試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，從而達(dá)到完善尾水管設(shè)計(jì)方案的目的。

［1］程良駿.水輪機(jī)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1981.

［2］王旭,潘嶠,等.基于CATIA的土耳其Bagistas電站水輪機(jī)尾水管三維造型方法的研究[J].能源與環(huán)境,2011(5)：52-53.

［3］王旭,潘嶠,等.土耳其Cermilker電站轉(zhuǎn)輪室設(shè)計(jì)方案的對(duì)比研究[J].機(jī)電技術(shù),2011(4):127-129.

［4］王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

［5］Wissink J G.DNS of Separating Low Reynolds Number Flow in a Turbine Cascade with Incomineg Wakes[J].International Journal of Heat and Fluid Flow，2003,24(4):626-635.