張 玲，謝恒龍，王 沖，劉琳琳

(1．東北電力大學能源與動力工程學院，吉林 吉林 132012;2．重慶長安汽車股份有限公司 動力研究院，重慶401120;3．河北駿興節(jié)能技術服務有限公司，河北石家莊050000)

隨著人們對環(huán)保意識的增強，火力發(fā)電逐漸受到制約，技術的不成熟也阻礙了風力發(fā)電、太陽能發(fā)電及核電發(fā)展的腳步．相比之下，技術成熟的水力發(fā)電倍受人們青睞，而且水又是無污染的可再生能源［1～3］．水利發(fā)電的關鍵部件就是水輪機．

影響水輪機機組性能的三項指標為效率、穩(wěn)定性和空化性能，效率是測量水能利用程度的一項指標，穩(wěn)定性關系到水輪機組的安全運行，空化性能關系到水輪機組的運行壽命［4］．目前，水輪機的效率最高可達95%，進一步提高水輪機組的效率受到限制，穩(wěn)定性和空化問題一直是水利機械領域的難題之一［5］．水輪機是水電站的核心部件，水輪機運行的好壞直接影響機組的效率，隨著水輪機組越來越向大型化方向發(fā)展，對水輪機的抗空化性能和穩(wěn)定性提出了更高的要求．水輪機內部水流流動十分復雜，不僅有轉輪與導葉、尾水管的相互干涉作用，還伴有二次流、間隙流、尾跡及流道中的葉道渦［6］．因此，充分掌握水輪機過流部件流體的流動特性和壓力分布，對防止機組運行時的振動和空蝕有重要意義．

在實際工作中，通過水輪機的流體流量隨著導葉開度變化而改變．水輪機通常是在非設計工況下運行，當水輪機偏離最優(yōu)工況時，上冠進口處流體脫流，在流道內發(fā)展成葉道渦［7］．當葉道渦發(fā)展比較嚴重時，會形成比較粗大的渦帶，渦帶尾部相當不穩(wěn)定，嚴重時會影響機組的安全運行［8］．如1992年塔貝拉電站水輪機事故，由于水輪機長時間偏離最優(yōu)工況在高水頭下運行，流道內形成葉道渦，引起強烈振動破壞設備，以至不得不在轉輪葉片進口和尾水管補氣才能安全運行［9～10］．1993年巖灘水電站水輪機組在高負荷區(qū)工況下運行導致廠房劇烈振動．分析認為機組在超過額定水頭下運行引起的振動屬于共振問題，引發(fā)共振的是水力因素激發(fā)的共振現象［11］．云南大朝山電站由于導葉卡門渦導致葉片在短時間內出現裂紋［12］．

水輪機的空化和空蝕按空化和空蝕發(fā)生的部位分為四種基本類型，其中翼型空化是混流式水輪機空化的主要類型［13］．影響翼型的空化有很多因素，包括葉片的參數，組成轉輪葉片的數量以及水輪機的運行工況等等［14］．二灘水電站在1998年投入運行后，葉片近水邊吸力面靠近下環(huán)位置、上冠過流面靠近出口處逐漸發(fā)現有不同程度的空蝕［15］．楊凌水電站經過5 000小時運行后，檢修發(fā)現轉輪空蝕嚴重，出現了大面積的空蝕麻面，葉片吸力面空蝕深度達50 mm．研究發(fā)現，近幾年來隨著水質的破壞，含沙量和推移質都較大，對轉輪造成了不同程度的損壞［16］．

在實際運行中，水輪機通常在變工況下運行，流體因為工況改變而引起瞬態(tài)振動以及葉片表面空蝕現象較為嚴重．但對水輪機的調試以及測試大多在穩(wěn)定工況下運行，本文假定流體處于穩(wěn)態(tài)流動，主要研究葉道渦以及二次流對葉片空蝕和振動問題的影響．根據某電站的原型水輪機幾何參數進行葉柵流道建模．基于三維時均N－S方程對水輪機內部流動進行數值計算．首先基于最優(yōu)工況(導葉開度60%)采用RNG k－ε模型在不同速度下對水輪機進行定常計算;然后選取水流速度v=8 m/s在不同導葉開度工況下進行模擬計算，并對結果進行分析．

表1 原型水輪機基本參數

1 數值模擬方法

1.1 幾何模型和網格劃分

本文采用HL100－WJ－75混流式水輪機葉片數據，基于木模圖采用UG NX8．0建模［17］．原型水輪機的基本參數，如表1所示．因整個轉輪是軸對稱布置，所以本文在建立整個環(huán)形葉輪模型的基礎上截取包含兩個葉片在內的區(qū)域，作為一個流動計算通道，在葉片進口和出口處各延長一段距離，作為水流的進口和出口，如圖1所示．

整個模型采用非結構化網格，因葉片為本文重點研究內容，對葉片網格進行加密，網格總數約為150多萬．網格示意圖，如圖2所示．

圖1 水輪機轉輪及計算模型

圖2 轉輪流道及葉片局部加密網格示意圖

1.2 數值方法及邊界條件

考慮到流動中旋轉和旋流流動等因素，本文采用RNG k－ε模型．該模型能較好地模擬流動的分離與漩渦，對于處理高應變率以及流線彎曲程度較大的流動比較有效［18］．對控制方程采用有限體積法進行離散，為了獲得更高的精度，避免假擴散帶來的影響，離散格式采用二階迎風格式，利用SIMPLE算法進行求解．

進口邊界條件:由于容易測量水輪機進口流量，所以采用速度進口邊界條件．湍動能k=3/2(vI)2，其中v為湍流平均速度，I為湍流強度(一般經驗值取6%)．所以進口湍動能進口耗散率，其中cμ為經驗值(一般取0．09)，為進口處普朗特混lin合常數．

出口邊界條件:由于水輪機出口壓力、速度未知，所以采用自由出流邊界條件．

壁面邊界條件:在壁面上采用無滑移邊界條件，近壁區(qū)域采用標準壁面函數法．

1.3 水輪機空化系數

空化系數σ表示了水輪機工作輪中的相對動力真空值，σ為一個無因次量，該值與水輪機工作輪翼型的幾何形狀、水流繞翼型的流態(tài)即水輪機的工況有關［19］．設最低壓力點為K點，2點為葉片出口邊上的點，如圖3所示．即

圖3 水輪機流道翼型空化條件分析示意圖

式中:ωK為K點的相對速度;ω2為2點的相對速度;ν2為2點的絕對速度;ηω為尾水管的恢復系數;H為工作水頭．

2 計算結果及分析

2.1 不同流速對葉片空化性能的影響

根據原型水輪機的設計水頭，選取了三種具有代表性的流速(v=5 m/s、v=8 m/s、v=10 m/s)，在導葉開度為60%的工況下進行計算．水輪機轉輪葉片壓力側在不同主流速度下的絕對壓力分布云圖，如圖4所示．壓力分布從葉片進口到出口沿徑向均勻減小，過度平穩(wěn)，沒有出現較大的突變．當流速為5 m/s時，壓力梯度變化均勻，有利于能量的轉換，提高水輪機效率，且葉片出口處不易出現局部低壓，翼型空化得到抑制．葉片進口大部分區(qū)域處在高壓區(qū)，隨著流速的增加，高壓區(qū)覆蓋面逐漸減小．當流速達到10 m/s時，在葉片出水邊靠近下環(huán)壁區(qū)域出現低壓區(qū)，出現空化的幾率增加．

圖4 轉輪葉片壓力側在不同速度下的絕對壓力分布云圖

圖5 轉輪葉片吸力側在不同速度下的絕對壓力分布云圖

轉輪葉片壓力側在主流不同速度下的絕對壓力分布云圖，如圖5所示．與葉片壓力側相比，在相同速度工況下，葉片吸力側的平均壓力較小，高壓區(qū)的覆蓋率明顯減少，說明翼型空化主要發(fā)生在水輪機葉片的吸力側．流速增加是壓力降低的主要原因，水輪機主流v=10 m/s工況下吸力面靜壓分布等值線圖，如圖6所示．在60%開度時，葉片吸力側靠近下環(huán)出口區(qū)域最低靜壓為－4 500 Pa，此時發(fā)生空化的概率比較大．

2.2 不同進口流量對葉輪穩(wěn)定性的影響

主流速度不變在導葉開度為90%的情況下葉輪湍動能分布云圖，如圖7所示．根據轉輪葉片吸力側的湍動能分布來看，葉片進口前緣和靠近下環(huán)邊緣處湍動能較大，說明此處湍流擾動強烈，最主要的原因是受葉道渦的影響．穩(wěn)定的葉道渦不會對葉片產生負面影響，隨著導葉開度的增大，進水流量增加，葉道渦變得不穩(wěn)定，引起轉輪的振動，對葉片乃至整個轉輪都有極大的危害．由于不穩(wěn)定葉道渦及二次流的作用，部分區(qū)域絕對壓力急劇降低，使得產生空化的幾率增加．如圖7(a)所示，在實際生產中應在避開引起葉道渦不穩(wěn)定的工況下運行．

葉片壓力面的湍動能分布云圖，如圖7(b)所示．葉片進水邊靠近下環(huán)部分和葉片尾緣大部分區(qū)域湍流擾動比較強烈．這是因為在導葉大開度工況下，水流以正沖角進入流道，在葉片壓力側脫離壁面，受到葉道渦的擾動在壁面產生二次回流，水力損失增大．

上冠和下環(huán)的湍動能分布云圖，如圖7(c)、圖7(d)所示．在上冠葉片吸力側后緣，以及下環(huán)葉片間的流道湍動能較大，湍流擾動比較強烈．隨著上冠葉片尾緣處水流的脫落，在葉輪軸向產生二次渦．由于二次渦的作用，不僅水流流動不穩(wěn)定，還會在下環(huán)處產生低壓區(qū)．因為空氣具有一定的彈性吸振能力，在渦帶區(qū)域補入適量的空氣，不僅可以降低漩渦的擾動強度，還可以提高該區(qū)域的壓力，減小空化發(fā)生的可能性．

圖6 主流v=10m/s工況下葉片吸力側靜壓分布等值線圖

圖7 主流速度v=8m/s工況下葉輪湍動能分布云圖

水輪機保持額定速度(v=8 m/s)不變的情況下，導葉開度由小到大依次為30%、60%、90%作為計算工況的三維流線分布圖，如圖8所示．圖8(b)給出了導葉開度為60%的三維流線圖，可以看出，在60%導葉開度工況下，水流由進口到出口沒有產生明顯的葉道渦和二次回流，這是因為水輪機在最優(yōu)工況下運行，主流進口水流角等于轉輪葉片進口安裝角，水流與葉片之間沒有撞擊和脫離，流動平穩(wěn)，水力損失?。?/p>

在90%導葉開度下的三維流線圖，如圖8(a)所示．可以看出，水頭高于最優(yōu)工況時，來流水流為正沖角，轉輪葉片出水邊靠近上冠部分出現水流脫落，渦束沿著葉片出水邊由下環(huán)流道流出．在轉輪葉片進口處，水流脫離葉片壓力面在流道間形成葉道渦．當葉道渦為穩(wěn)態(tài)時，壓力脈動較小，對機組不會產生較大影響．隨著水流流量的增加，葉道渦會越來越不穩(wěn)定，壓力脈動加劇，不僅葉道渦本身的壓力脈動會給機組部件造成損害，伴隨著的振動嚴重時會使轉輪葉片產生裂紋．

圖8 主流速度v=8m/s工況下三維流道流線分布示意圖

在30%導葉開度下的三維流線圖，如圖8(c)所示．在導葉小開度工況下，水流以負沖角進入流道，水流撞擊葉片壓力側，在葉道間形成回流，流體通過葉片出水邊，在流道下游靠近尾水管處出現紊亂，對于中高比速水輪機，水利損失較大，嚴重情況下，會引起機組振動，損害機組設備．

3 結 論

本文通過數值研究的方法分別對具有三種流速和三種導葉開度的混流式水輪機葉柵流道進行了數值模擬．通過葉片吸力側和壓力側的壓力云圖，分析了不同流速對葉片空蝕的影響，以及根據在高流速大開度導葉工況下的湍動能云圖和保持額定流速在不同導葉開度下的三維流線圖，具體分析了葉道渦及二次流對水輪機轉輪穩(wěn)定性的影響，主要結論如下:

(1)水輪機在額定導葉開度低流速工況下時，葉片壓力梯度變化均勻，沒有出現較大的突變，有利于能量的轉換;且葉片大部分被高壓區(qū)覆蓋，不易出現空蝕問題．隨著流速的增加，葉片吸力側出水邊靠近下環(huán)壁區(qū)域出現低壓值，空化的可能性增大．

(2)在大開度導葉工況下，水流以正沖角進入流道，水流脫離壁面，葉道渦變得不穩(wěn)定，葉片吸力側靠近下環(huán)邊緣處以及壓力側后緣部分湍流擾動比較強烈，水力損失增大．水流在上冠尾緣區(qū)域脫離壁面，在轉輪軸向形成二次渦，在葉輪下環(huán)區(qū)域出現較大湍動能，擾動劇烈．這不僅會使機組產生振動，還會在局部區(qū)域產生低壓區(qū)，增加空化發(fā)生的可能性．

(3)保持額定流速(v=8m/s)不變，水流在60%導葉開度工況下，水流和葉片之間沒有撞擊和脫離，流道內沒有出現明顯的葉道渦和二次流，水流流動平穩(wěn)．水頭高于最優(yōu)工況時，來流水流在轉輪葉片出水邊靠近上冠部分出現水流脫落，渦束沿著葉片出水邊由下環(huán)流道流出．水頭低于最優(yōu)工況時，水流撞擊葉片壓力側，在流道間形成二次回流．非額定工況下，受葉道渦和二次流的影響，引起機組振動，損害機組設備．

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