張 彬，李浩亮

（東方電氣集團東方電機有限公司，四川 德陽618000）

1 前言

水泵水輪機中接力器通過傳動機構轉動活動導葉，活動導葉水力矩作為水泵水輪機原型設計中的重要參數(shù)，直接影響相關導水機構和接力器的設計?；顒訉~水力矩一般通過模型水泵水輪機的試驗結果，按照相似定律換算得出。由于試驗模型的制造加工流程復雜，測量儀器安裝布置易產(chǎn)生誤差等因素，活動導葉水力矩測試是一個繁瑣的試驗項目，測試精度也有待提高[1]。

本文采用CFD數(shù)值模擬技術，以某水泵水輪機為例，分析不同導葉開度和流量對活動導葉水力矩的影響，通過仿真計算和試驗測試的比較，明確數(shù)值模擬技術的方法，為水泵水輪機相關結構設計提供可靠數(shù)據(jù)支撐。

2 導葉水力矩的測試

模型水泵水輪機活動導葉水力矩的測試一般基于應變片電橋法，采用式（1）將活動導葉水力矩轉換為水力矩因數(shù)

式中：TG為單個活動導葉的水力矩，ρ為流體密度，g為重力加速度，Hn為機組水頭，Hdist為活動導葉分布圓處流道高度，D為活動導葉分布圓直徑，N為活動導葉個數(shù)。一般定義指向?qū)~關閉方向的水力矩為“+”，指向?qū)~開啟方向的水力矩為“-”。

某抽水蓄能機組固定導葉個數(shù)和活動導葉個數(shù)均為16，實際中只選取個別活動導葉進行水力矩的測量，本次試驗選取編號為1號，2號，5號，9號，13號和16號的活動導葉進行水力矩的試驗。

活動導葉水力矩試驗中，水輪機工況保持單位轉速基本恒定，導葉開度共19組從0.8°變化到17.5°，泵工況中保持壓力系數(shù)基本恒定，導葉開度共18組從0.5°變化到14.4°，調(diào)節(jié)導葉開度即可調(diào)節(jié)試驗工況點，試驗工況點與計算工況點一致。試驗中忽略了裝配軸承摩擦力矩的影響，相關研究表明，該影響較小[2]。

3 導葉水力矩的CFD分析

活動導葉的開度和形狀會影響繞流水流的流速、流態(tài)和壓力分布，從而決定活動導葉的水力矩特性?；顒訉~的繞流為三維流動問題，情況復雜，隨著CFD技術，即計算流體動力學的發(fā)展，可以通過有限元仿真技術對復雜的流體動力學問題進行研究。

本文使用軟件STAR-CCM+對活動導葉水力矩進行CFD分析，STAR-CCM+是一款優(yōu)秀的通用型CFD軟件，網(wǎng)格劃分是有限元分析中最耗時而又對結果影響最大的一個環(huán)節(jié)，STAR-CCM+中的多面體網(wǎng)格技術非常先進成熟，多面體網(wǎng)格具有六面體網(wǎng)格的精準度和四面體網(wǎng)格的易生成性，多面體網(wǎng)格還具有比四面體網(wǎng)格更好的收斂性和更小的網(wǎng)格依賴性，大大降低用戶的硬件資源需求和計算時間。

除此之外它還內(nèi)置了1套性能極為優(yōu)秀的嵌套網(wǎng)格挖洞算法，能夠生成極為復雜的嵌套網(wǎng)格。

3.1 計算準備

水泵水輪機的水輪機工況和泵工況中活動導葉繞流水流的來流和去流方向相反，來流條件和去流條件也會影響CFD分析的計算結果，所以計算流道模型中除活動導葉外還加入了固定導葉和轉輪[3]，從而能夠精準的分析活動導葉水力矩。

CFD分析的有限元模型均為多面體網(wǎng)格，邊界層做棱柱加密，進口條件為質(zhì)量流量進口，出口條件為質(zhì)量流量出口，轉輪水體為機組額定轉度，雙列葉柵固壁面為無滑移固壁邊界條件，轉輪固壁面為旋轉固壁邊界條件。

3.2 活動導葉區(qū)域流場分析

通過CFD分析可以得到活動導葉區(qū)域流場流態(tài)，再對活動導葉水力矩和壓力檢測值分析，水輪機工況下的最優(yōu)開度為 17.5°，、選取 1°、7°、13.5°和17.5°下的流場進行分析。4個開度下的流速流線示意如圖1～圖4所示。從圖中可以看出，隨著活動導葉開度的增加，流道內(nèi)流態(tài)逐漸平穩(wěn)，漩渦流動和湍流流動逐漸減小。根據(jù)伯努利方程可以看出，活動導葉正背面的流態(tài)和流速會影響壓力分布，最終導致不同開度下活動導葉水力矩的變化。

圖1 導葉開度1°流線分布

圖2 導葉開度7°流線分布

圖3 導葉開度13.5°流線分布

圖4 導葉開度17.5°流線分布

3.3 水力矩結果的比較分析

計算結果為水輪機工況下，原型水頭755.9 m，對應水輪機模型單位轉速為36.63 r/min，根據(jù)雙列葉柵與轉輪聯(lián)合計算CFD分析模型的數(shù)值計算結果，可以確定活動導葉水力矩。

根據(jù)該機組活動導葉水力矩測試結果和計算結果數(shù)據(jù)，繪制出原型機最大水頭755.9 m下的導葉開度和流量關系曲線，如圖5所示，水力矩測試結果和CFD計算結果的比較曲線，如圖6所示。

計算結果為水泵工況下，原型水頭702.21 m，對應水泵水輪機模型壓力系數(shù)為4.950，根據(jù)雙列葉柵與轉輪聯(lián)合計算CFD分析模型的數(shù)值計算結果，可以確定活動導葉水力矩。

圖5 水輪機工況導葉開度與流量關系圖

圖6 水輪機工況導葉開度與活動導葉水力矩關系圖

根據(jù)該機組活動導葉水力矩測試結果和計算結果數(shù)據(jù)，繪制出原型機最大水頭702.21 m下的導葉開度和流量關系曲線，如圖7所示，水力矩測試結果和CFD計算結果的比較曲線，如圖8所示。

圖7 水泵工況導葉開度與流量關系圖

圖8 水泵工況導葉開度與活動導葉水力矩關系圖

該機組水輪機工況和水泵工況下，活動導葉水力矩的測試結果和計算結果有較好的對應關系，水力矩的CFD計算結果接近測試結果的平均值。水輪機工況下，13號和2號活動導葉的測試結果偏大，1號活動導葉的測試結果偏??；泵工況下，16號活動導葉的測試結果偏大，1號活動導葉的測試結果偏小。這可能是受到蝸殼結構的影響，或者是流態(tài)的不穩(wěn)定，測試結果離散性的影響。計算結果與測試結果差異不大，在正常分布范圍之內(nèi)。

4 活動導葉水力矩對接力器設計的影響

目前國內(nèi)水泵水輪機導水機構接力器一般采用直缸接力器，接力器通過傳動機構轉動活動導葉，其壓力油是從主配壓閥經(jīng)管路流進接力器的，接力器的油壓一般為4.0 MPa和6.3 MPa兩種[4]。

接力器初選后，根據(jù)傳動機構布置和活動導葉力的特性，詳細計算各種運行工況下開啟或關閉導葉時所需的接力器油壓，校核接力器選型的正確性?；顒訉~開啟或關閉情況下主要受到活動導葉水力矩和摩擦力矩的共同作用[5]。摩擦力矩可以根據(jù)活動導葉各個軸頸位置的支反力求得，再結合上文中所示的活動導葉水力矩，可以較為準確的求得活動導葉力的特性。

初步設計的接力器活塞缸內(nèi)徑為680 mm，活塞桿直徑為230 mm，接力器操作油壓的計算結果如表1。

表1 接力器操作油壓計算結果

考慮到事故工況下，操作油壓壓力會降低的情況，接力器操作油壓可選擇4.0 MPa，這時必須適當增加接力器活塞缸的內(nèi)徑，或者接力器操作油壓可選擇6.3 MPa，這時適當減小接力器活塞缸的內(nèi)徑。

5 結論

通過對某水泵水輪機機組的活動導葉水力矩測試結果和CFD計算分析結果的比較，以及分析活動導葉水力矩對接力器設計的影響，可以得出以下結論：

（1）CFD仿真計算的活動導葉水力矩結果與模型試驗測試結果比較吻合，計算結果與測試結果的平均值接近，仿真計算可以作為一種獲取導葉水力矩的可靠方法，計算結果在水泵水輪機原型安全裕度下適當修正。

（2）受活動導葉開度，機組水頭和流量的影響，活動導葉正背面壓力分布會有所差異，造成不同開度，不同水頭，不同流量下活動導葉水力矩的差異。

（3）活動導葉水力矩對接力器的精確設計具有指導作用，較傳統(tǒng)經(jīng)驗設計能夠有效節(jié)省結構空間，或適當降低設計油壓。