摘要：為探究混流式水輪機(jī)內(nèi)流場變化規(guī)律，對某電站水輪機(jī)全流道進(jìn)行數(shù)值模擬研究。對流場求解三維時均NS方程和RNGkε湍流模型，得到三種工況下水輪機(jī)流道內(nèi)水流的壓力及跡線變化規(guī)律。結(jié)果表明，在設(shè)計工況下，各水力部件能較好配合，水力性能良好；在偏離設(shè)計工況運(yùn)行時，各水力部件水力性能有不同程度的下降，各部件之間的配合欠佳，其結(jié)構(gòu)設(shè)計有待改進(jìn)。研究結(jié)果對水電站的實(shí)際運(yùn)行有一定參考價值。

關(guān)鍵詞：混流式水輪機(jī)；內(nèi)部流動；數(shù)值模擬；全流道；流場

1 概述

水輪機(jī)作為水電站的主要動力設(shè)備，其性能好壞直接影響水電站的安全、高效運(yùn)行 [1]。近年來隨著水輪機(jī)組的容量及比轉(zhuǎn)速不斷加大，其空化和振動問題日漸凸顯，很多學(xué)者對此類問題進(jìn)行了研究[25]。本文以某實(shí)際電站混流式水輪機(jī)為例，利用CFD技術(shù)模擬不同工況下流道內(nèi)水流的壓力及跡線分布，計算結(jié)果可為電站實(shí)際運(yùn)行提供參考。

1.1 物理模型及網(wǎng)格

利用UG軟件建立水輪機(jī)全流道物理模型。轉(zhuǎn)輪型號為HLF497LJ625.7，轉(zhuǎn)輪標(biāo)稱直徑為6257mm，葉片數(shù)為13片，設(shè)計流量296m3/s，設(shè)計水頭110m，最大水頭141m，最小水頭68m，額定出力561MW，額定轉(zhuǎn)速142.9r/min，導(dǎo)葉高度為1477mm，固定導(dǎo)葉和活動導(dǎo)葉數(shù)量均為20片。

利用GAMBIT軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于模型較復(fù)雜，采取分塊劃分的方式，分別對蝸殼、座環(huán)、導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪、尾水管水體劃分網(wǎng)格。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的方式，并對流動狀態(tài)變化較大區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行加密，網(wǎng)格總數(shù)98.76萬。

1.2 數(shù)學(xué)模型及計算方法

1.2.1 數(shù)學(xué)模型

1.2.2邊界條件及計算方法

蝸殼進(jìn)口斷面設(shè)為速度入口；尾水管出口設(shè)為outflow；不同流體域之間的數(shù)據(jù)交換采用差值的方式，交界面設(shè)為interface；用滑移網(wǎng)格模型處理轉(zhuǎn)輪區(qū)域與導(dǎo)葉、尾水管區(qū)域的耦合問題，上冠、下環(huán)和導(dǎo)葉壁面均設(shè)為Moving Wall；采用分離式求解器計算；算法采用經(jīng)典的SIMPLE算法；迎風(fēng)格式及亞松弛因子均為默認(rèn)。

2 計算結(jié)果分析

根據(jù)該電站實(shí)際運(yùn)行情況，分別在設(shè)計水頭、最大水頭和最小水頭下選取三個工況點(diǎn)進(jìn)行模擬計算，各工況參數(shù)如表1所示。

表1 工況點(diǎn)參數(shù)表

工況點(diǎn)1水頭（m）1流量（m3/s）1導(dǎo)葉開度（°）1出力（MW）11110（設(shè)計水頭）1296124130021141（最大水頭）1243.5211813203168（最小水頭）1148.161201852.1 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)流場分析

圖1～圖3為三種工況下導(dǎo)水機(jī)構(gòu)壓力及水流跡線圖，從圖中可以看出，三種工況下蝸殼及導(dǎo)葉內(nèi)水流都能形成一定的速度環(huán)量，蝸殼內(nèi)的流動符合等速度矩分布規(guī)律。工況1、2下蝸殼壓力分布沿徑向均勻降低，過度平穩(wěn)，固定導(dǎo)葉壓力在圓周方向?qū)ΨQ性較好，活動導(dǎo)葉從頭部到尾部壓力均勻降低，沒有明顯突變。工況3下蝸殼內(nèi)水流在徑向壓降不明顯，從蝸殼到固定導(dǎo)葉壓力變化較大，固定導(dǎo)葉壓力在圓周方向?qū)ΨQ性差，這可能是由于活動導(dǎo)葉與固定導(dǎo)葉設(shè)計配合不好，水流對活動導(dǎo)葉沖擊不強(qiáng)引起的。

2.2 轉(zhuǎn)輪流場分析

圖4～圖6為三種工況下轉(zhuǎn)輪葉片背面的壓力云圖，從圖中可看出工況1下葉片基本沒有負(fù)壓區(qū)；工況2下負(fù)壓范圍很廣，而且數(shù)值較大，負(fù)壓集中出現(xiàn)在葉片靠近下環(huán)區(qū)域；工況3下在進(jìn)水邊背面靠近下環(huán)處存在零星負(fù)壓。由此可判斷出機(jī)組在工況2下運(yùn)行時發(fā)生空蝕的幾率較大。

2.3 尾水管流場分析

工況1（圖7）下尾水管進(jìn)口水流圓周方向速度幾乎為零，基本沒有渦帶，水流狀態(tài)較好；工況2（圖8）下尾水管進(jìn)口水流有一定的圓周速度，在直錐段產(chǎn)生較小渦帶，并在發(fā)展至尾端過程中逐漸減弱；工況3（圖9）下尾水管進(jìn)口水流圓周速度較大，在直錐段產(chǎn)生較強(qiáng)渦帶，并在發(fā)展至尾部時沒有減弱，在尾水管出口位置還存在有較大旋渦。

3 結(jié)論

利用CFD技術(shù)對轉(zhuǎn)輪型號為HLF497LJ625.7的水輪機(jī)內(nèi)流場進(jìn)行數(shù)值模擬，得到三種工況下導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)輪葉片及尾水管內(nèi)的水流變化規(guī)律。研究表明，該水輪機(jī)在設(shè)計水頭下運(yùn)行時，各部件水力性能表現(xiàn)良好；在偏離設(shè)計水頭運(yùn)行時，各個部件水力性能表現(xiàn)不一，水流狀態(tài)不理想，水力部件的結(jié)構(gòu)有待改善，同時，也可通過調(diào)整機(jī)組的運(yùn)行范圍，達(dá)到保護(hù)機(jī)組的目的。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：王攀登（1980），男，漢族，四川成都人，本科，電氣工程師，主要從事安全生產(chǎn)管理工作。