彭明瓊

（伊寧市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，新疆 伊寧 835000）

水輪機(jī)是水電站的核心設(shè)備，其效率的提升對電站而言具有重要的工程和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。目前，關(guān)于水輪機(jī)的研究主要集中于葉片數(shù)量和翼型，但是水輪機(jī)作為一個(gè)整體，尾水管的內(nèi)部流動穩(wěn)定性也是影響水輪機(jī)效率和性能的重要因素[1]。擴(kuò)散度、相對管長以及當(dāng)量錐角是混流式水輪機(jī)尾水管的主要特征參數(shù)[2]。其不同取值會對尾水管內(nèi)的水力特征產(chǎn)生顯著影響。對彎肘型尾水管而言，其當(dāng)量錐角一般較大，并造成直錐段出口和進(jìn)入彎肘段的流速降低[3]。尾水管中的水流受到水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的影響，大多呈螺旋形運(yùn)動，由于離心力的作用往往會形成渦流滯水區(qū)[4]。水電站尾水管的性能主要用恢復(fù)系數(shù)衡量，恢復(fù)系數(shù)越高說明尾水管的性能越好[5]。由于彎肘型尾水管造型復(fù)雜，其水力損失比較嚴(yán)重。因此，通過尾水管結(jié)構(gòu)優(yōu)化提高尾水管性能，改善機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性具有重要意義。

1 工程概況

某水電站是一座以發(fā)電為主，兼具防洪、灌溉等功能的小型徑流式水電站，裝機(jī)總?cè)萘繛?2400 kW，設(shè)計(jì)庫容1800萬m3。工程的設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為百年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為千年一遇。水電站采用的混流式水輪機(jī)組，其基本參數(shù)如下：固定導(dǎo)葉和活動導(dǎo)葉分別為23個(gè)，長葉片和短葉片均為15個(gè)，共30個(gè)葉片。水輪機(jī)的吸出高度為-8.35 m，額定流量為1.55 m3/s，轉(zhuǎn)輪機(jī)直徑為0.70 m。此外，水輪機(jī)尾水管還有兩個(gè)支墩。水輪機(jī)組的蝸殼與轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)圖見圖1和圖2。

圖1水輪機(jī)組的蝸殼結(jié)構(gòu)圖

圖2水輪機(jī)組轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)圖

2 水輪機(jī)三維有限元計(jì)算模型

2.1 模型的建立與網(wǎng)格劃分

UG是一款在工程設(shè)計(jì)研究領(lǐng)域十分常用的計(jì)算機(jī)軟件，具有十分強(qiáng)大的建模功能，可以輕松實(shí)現(xiàn)對各種復(fù)雜工程實(shí)體的架構(gòu)。同時(shí)，該軟件屬于半?yún)?shù)化建模軟件，十分方便模型的修改?；赨G軟件比較自由的建模思路以及參數(shù)修改較為靈活的優(yōu)勢，本文采用UG軟件對水輪機(jī)的過流部件進(jìn)行三維模型構(gòu)建，并導(dǎo)入ICEM-CFD軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。最終獲得512713個(gè)網(wǎng)格單元，349243個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)。其中，尾水管部分的網(wǎng)格劃分示意圖見圖3。

圖3 尾水管網(wǎng)格剖分示意圖

為了檢驗(yàn)網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量的合理性，盡量減小網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量對計(jì)算結(jié)果的影響，研究中對尾水管模型進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)，驗(yàn)證曲線見圖4。由圖可知，當(dāng)模型的網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到510萬以上時(shí)，機(jī)組的效率不會隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加而明顯變化。因此，本文研究中的網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量是合理的。

圖4 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證曲線

2.2 邊界條件

在利用數(shù)值計(jì)算模型進(jìn)行求解計(jì)算和處理之前，需要設(shè)置研究對象的邊界條件，其實(shí)質(zhì)就是指定區(qū)域邊界上的未知數(shù)。其中，模型的進(jìn)口邊界條件通過水輪機(jī)的進(jìn)口邊界的質(zhì)量流量確定，并給出定速度值[6]。其中，流速方向?yàn)楹瓦M(jìn)口斷面垂直的方向，流量的大小通過各工況的流量值確定。由于尾水管的出口經(jīng)常存在回流現(xiàn)象，因此將出口邊界條件設(shè)置為壓力邊界[7]。模型的壁面邊界條件設(shè)定為固體光滑壁面條件，近壁面部位的流體流速為0。

2.3 計(jì)算工況

本次研究在最優(yōu)工況下進(jìn)行不同當(dāng)量錐角下尾水管的內(nèi)部流場模擬計(jì)算，并利用CFD-POST軟件中對計(jì)算完成后的模型進(jìn)行后處理，進(jìn)而獲得尾水管內(nèi)部的速度、壓力和流線云圖。其中，小流量工況的相對導(dǎo)葉開度為77.2%，單位流量為1200 L/s。尾水管的當(dāng)量錐角表示的是與彎肘形尾水管具有相同出口斷面和長度情況下直錐管的錐角。顯然，在管長一定的情況下，必定存在一個(gè)與之對應(yīng)的最優(yōu)錐角。

通過查閱混流式水電機(jī)組尾水管當(dāng)量錐角的相關(guān)研究文獻(xiàn)，其推薦值一般為14°～18°[7]。因此，本次研究中設(shè)計(jì)了14°、16°和18°三個(gè)大小不等的當(dāng)量錐角值進(jìn)行數(shù)值模擬研究，以獲取最佳推薦值，進(jìn)而有效提升水電站機(jī)組的效率及電站本身的經(jīng)濟(jì)性。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 尾水管流場分布分析

3.1.1 尾水管壓力分布分析

利用構(gòu)建的模型對不同尾水管當(dāng)量錐角下尾水管壓力分布進(jìn)行分析計(jì)算，獲得如圖5～圖7所示的尾水管壓力分布云圖。由圖可知，在最優(yōu)工況下，尾水管當(dāng)量錐角為14°、16°和18°時(shí)，尾水管內(nèi)部的壓力分布從整體上看呈現(xiàn)出比較均勻的狀態(tài)。具體而言，當(dāng)高速水流從機(jī)組的轉(zhuǎn)輪出口進(jìn)入尾水管入口時(shí)，水流的壓力較小，隨著尾水管截面面積的自上而下不斷增大，水流的壓力也呈現(xiàn)出逐漸增大的態(tài)勢。同橫截面的不同部位來看，直錐段呈現(xiàn)出從內(nèi)向外逐漸增大的趨勢。在尾水管的的肘管部位，受到紊動作用的影響，壓力分布并不均勻，特別是當(dāng)量錐角14°和18°時(shí)該部位的壓力分布不均現(xiàn)象更為明顯，存在局部的高壓區(qū)，當(dāng)當(dāng)量錐角為16°不存在比較明顯的局部高壓問題。

圖5 當(dāng)量錐角14°時(shí)尾水管壓力分布

圖6 當(dāng)量錐角16°時(shí)尾水管壓力分布

圖7 當(dāng)量錐角18°時(shí)尾水管壓力分布

3.1.2 尾水管流速分布

利用構(gòu)建的模型對不同尾水管當(dāng)量錐角下尾水管流速分布進(jìn)行分析計(jì)算，獲得如圖8～圖10所示的尾水管流速分布云圖。由圖可知，高速水流由水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪進(jìn)入尾水管進(jìn)口時(shí)，中心部位的流速最大，隨著水流向下運(yùn)動尾水管的進(jìn)口半徑逐漸增大，因此水流的流速也呈現(xiàn)出逐漸下降的態(tài)勢。從整個(gè)縱截面的流速分布來看，呈現(xiàn)出比較明顯的對稱性特點(diǎn)。從不同當(dāng)量錐角的流速對比來看，隨著當(dāng)量錐角的增加，尾水管彎肘段的流速呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢，同時(shí)，該段中心兩側(cè)存在的高流速區(qū)域也在不斷減小。當(dāng)量錐角為16°時(shí)，該部位的高流速區(qū)域最小，說明水體的流動趨于穩(wěn)定，雖然存在局部渦帶，但由于體量較小，不會對整個(gè)尾水管的性能造成顯著的不利影響。

圖8 當(dāng)量錐角14°時(shí)尾水管流速分布

圖9 當(dāng)量錐角16°時(shí)尾水管流速分布

圖10 當(dāng)量錐角18°時(shí)尾水管流速分布

3.1.3 尾水管流線分布

利用構(gòu)建的模型對不同尾水管當(dāng)量錐角下尾水管流線分布進(jìn)行分析計(jì)算，獲得如圖11～圖13所示的尾水管流線分布云圖。由圖可知，在不同當(dāng)量錐角條件下，尾水管直錐段的水流流線以曲線為主。就其原因，主要是高速水流經(jīng)過水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)入尾水管進(jìn)口后，仍然具有較大的流速，同時(shí)受到轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)的作用，流態(tài)比較紊亂。當(dāng)水流經(jīng)過直追段達(dá)到彎肘段時(shí)，流線變?yōu)橐员容^平滑的直線為主，雖然部分流線仍比較雜亂，但是整體上看比較順暢。對不同當(dāng)量錐角方案的比較可知，當(dāng)量錐角為16°時(shí)，尾水管的流線最為平順。

圖11 當(dāng)量錐角14°時(shí)尾水管流線分布

圖12 當(dāng)量錐角16°時(shí)尾水管流線分布

圖13 當(dāng)量錐角18°時(shí)尾水管流線分布

3.2 尾水管恢復(fù)系數(shù)對比分析

在混臨式水輪機(jī)組工作過程中，尾水管可以起到良好的能量回收作用，從而降低水輪機(jī)的能量消耗。由此可見，尾水管的恢復(fù)系數(shù)可以反映水輪機(jī)的性能。從上節(jié)的模擬結(jié)果及分析可知，當(dāng)量錐角為16°時(shí)，機(jī)組尾水管內(nèi)部流態(tài)最佳。為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述結(jié)論，說明當(dāng)量錐角的推薦值為16°最為合適，研究中對尾水管全流道進(jìn)行整體計(jì)算。并根據(jù)計(jì)算結(jié)果獲取不同當(dāng)量錐角下的尾水管恢復(fù)系數(shù)，結(jié)果如表1所示。由計(jì)算結(jié)果可知，尾水管當(dāng)量錐角為14°、16°和18°三種不同方案相比，當(dāng)量錐角為16°時(shí)尾水管的恢復(fù)系數(shù)最大，回收能量損失最高。與14°當(dāng)量錐角相比，提高了1.14%，與18°當(dāng)量錐角相比，提高了3.43%。由此可見，當(dāng)量錐角為16°時(shí)，水輪機(jī)的效率最高。綜合上述，某水電站尾水管的當(dāng)量錐角推薦值為16°。

表1 尾水管恢復(fù)系數(shù)計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

本文以某水電站混流式機(jī)組為例，利用數(shù)值模擬的方法對不同當(dāng)量錐角下的尾水管水力特征進(jìn)行模擬分析，并獲得如下主要結(jié)論：

（1）受到水流紊動作用的影響，尾水管的的肘管部位壓力分布不均，存在局部的高壓區(qū)，但當(dāng)量錐角為16°沒有明顯的局部高壓問題。

（2）尾水管彎肘段中心兩側(cè)存在的高流速區(qū)域。當(dāng)量錐角為16°時(shí)，該部位的高流速區(qū)域最小。

（3）對不同當(dāng)量錐角方案的尾水管流線形態(tài)進(jìn)行比較可知，當(dāng)量錐角為16°時(shí)，尾水管的流線最為平順。

（4）尾水管當(dāng)量錐角為14°、16°和18°三種不同方案相比，當(dāng)量錐角為16°時(shí)尾水管的恢復(fù)系數(shù)最大，回收能量損失最高。

（5）綜合計(jì)算結(jié)果，某水電站尾水管的當(dāng)量錐角推薦值為16°。