鄧小林

（清遠(yuǎn)市銀益水電實(shí)業(yè)有限公司，廣東 清遠(yuǎn)511500）

0 前言

某電站裝有3臺(tái)立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量5 MW，設(shè)計(jì)水頭133 m，額定流量4.46 m3/s，額定轉(zhuǎn)速750 r/min。水輪機(jī)型號：HLA548-LJ-105，轉(zhuǎn)輪葉片17只，導(dǎo)葉高度147 mm，蝸殼進(jìn)口管徑1 200 cm，活動(dòng)導(dǎo)葉20只。2001年投產(chǎn)，本次技改機(jī)組于2012年完成第1次A級檢修。經(jīng)對電站來水情況、引水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等分析，電站具有一定的增效擴(kuò)容潛力。

本次增效擴(kuò)容，擬選用轉(zhuǎn)輪型號：HLYL41-LJ-107，葉片15只，導(dǎo)葉高度147 mm，額定出力5 MW，額定流量4.28 m3/s，其他參數(shù)與HLA548-LJ-105轉(zhuǎn)輪非常接近。為了論證新轉(zhuǎn)輪是否滿足技改條件，同時(shí)更深入地了解兩型轉(zhuǎn)輪的工作情況，分別對技改前后機(jī)組流道以及兩型轉(zhuǎn)輪等做了CFD分析。

1 CFD簡介

CFD（Computational Fluid Dynamics，計(jì)算流體力學(xué)）是現(xiàn)代模擬仿真技術(shù)的一種，它利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力通過求解控制流體流動(dòng)的微分方程，得出流體的流場在某個(gè)連續(xù)區(qū)域上的離散分布，從而非常近似地模擬出流體流動(dòng)情況。利用CFD模擬仿真可以高效、準(zhǔn)確地計(jì)算和描述一些復(fù)雜流體流動(dòng)的細(xì)節(jié)，已廣泛應(yīng)用于各種工程需要。本文是利用CFD分析水輪機(jī)的流道及內(nèi)部水流情況，為中小型水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪優(yōu)化設(shè)計(jì)及選型提供決策參考。

2 本次CFD分析的控制方程及邊界條件

2.1 本次CFD計(jì)算的控制方程[3]

水流在水輪機(jī)流道內(nèi)工作時(shí)流速較低（在10 m/s以下），水的溫度和密度變化很小，可將其看作不可壓縮流動(dòng)，水流的運(yùn)動(dòng)遵循動(dòng)量守恒定律[7]，故本次分析使用雷諾時(shí)均N-S方程來分析，即：

式中，ρ是流體（本例為水）密度；t是時(shí)間；ui是i方向上的速度分量，xi是在i方向上的坐標(biāo)。

式中，uj是j方向上的速度分量；x代表在j方向上的坐標(biāo)，p是壓力（包括湍動(dòng)能）；μ是分子粘性系數(shù)。Rij是雷諾應(yīng)力張量。

方程組中的未知量大于方程數(shù)，為使得雷諾小方程封閉并求解，需引入RNGk-ε湍流模型[1]。

式中，ak、aε是k方程和ε方程的湍流普朗特?cái)?shù)；μeff是有效粘性系數(shù)；ε是湍流耗散率；C1ε、C2ε為模型常量；Gk是層流速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；湍流粘度由如下微分方程確定：

式中，v是湍流動(dòng)粘滯率，

2.2 湍流模型

流體的流動(dòng)形式可分為層流和湍流兩種，在實(shí)際的流體流動(dòng)中大都是兩種形式同時(shí)出現(xiàn)的。本分析采用高雷諾數(shù)k-ε湍流模型，此模型中除了用到平均運(yùn)動(dòng)方程以外，還用到k和ε的兩個(gè)微分方程，屬于二方程模型（即k-ε模型）。

2.3 本次計(jì)算的邊界條件

遵循有利于收斂、計(jì)算結(jié)果較真實(shí)地反映實(shí)際工作情況且誤差較小的邊界條件設(shè)置原則，本次計(jì)算采用水輪機(jī)進(jìn)、出口斷面壓力為邊界條件。

3 各工況下水輪機(jī)工作情況CFD分析

本次分析對水輪機(jī)全流道即從蝸殼進(jìn)口到尾水管出口進(jìn)行一次較為全面的流動(dòng)模擬分析。對現(xiàn)使用和擬將使用的兩種型號轉(zhuǎn)輪分別在空載、35%、45%及100%額定出力工況下做了分析和對比，因篇幅原因，現(xiàn)只列出100%額定出力工況下的對比情況。

100%額定出力工況下的對比如圖1～圖10所示。

圖1 HLA548-LJ-105正面壓力分布

圖2 HLYL41-LJ-107正面壓力分布

圖3 HLA548-LJ-105反面壓力分布

圖4 HLYL41-LJ-107反面壓力分布

4 分析結(jié)論與建議

通過對機(jī)組流道、活動(dòng)導(dǎo)葉、尾水及兩型轉(zhuǎn)輪的CFD分析及對比，得出如下結(jié)論：

（1）本次技改所選用的轉(zhuǎn)輪在技術(shù)參數(shù)上與原轉(zhuǎn)輪非常接近，與原機(jī)組匹配程度高，是可行的。

圖5 HLA548-LJ-105導(dǎo)葉及流線分布

圖6 HLYL41-LJ-107導(dǎo)葉及流線分布

圖7 HLA548-LJ-105轉(zhuǎn)輪-8 m以下低壓區(qū)（HS=0）

圖8 HLYL41-LJ-107轉(zhuǎn)輪-8 m以下低壓區(qū)（HS=0）

圖9 HLA548-LJ-105流線分布

圖10 HLYL41-LJ-107流線分布

（2）在選定的幾個(gè)常用工況中，HLA548-LJ-105轉(zhuǎn)輪葉片背部接近出水邊的下環(huán)側(cè)，存在較明顯的局部負(fù)壓區(qū)（圖7所示），此處容易發(fā)生空化氣蝕，這點(diǎn)從電站定檢情況得到了驗(yàn)證。HLYL41-LJ-107轉(zhuǎn)輪葉片正、反面的壓力分布梯度更均勻（如圖2、圖4所示），不存在明顯的負(fù)壓區(qū)（圖8所示），預(yù)計(jì)其在抗空化氣蝕能力方面有較大改善。

（3）機(jī)組原采用對稱導(dǎo)葉，其厚度規(guī)律呈線性關(guān)系且頭部厚度大，從導(dǎo)葉流線圖中可以看出（如圖5所示），水流在導(dǎo)葉進(jìn)口處有較明顯的撞擊。建議改用負(fù)曲率導(dǎo)葉，減小頭部厚度降低撞擊損失，有利于效率的提升。

（4）45%額定出力時(shí)，HLA548-LJ-105轉(zhuǎn)輪進(jìn)口兩葉片中間出現(xiàn)較明顯的回流，存在較為嚴(yán)重的葉道渦，HLYL41-LJ-107轉(zhuǎn)輪頭部進(jìn)口處也出現(xiàn)回流現(xiàn)象，但基本處于葉道渦初生狀態(tài)。從圖5、圖6的比較可以看出，在100%額定出力工況下，HLYL41-LJ-107轉(zhuǎn)輪內(nèi)部的流線分布明顯優(yōu)于原轉(zhuǎn)輪，同時(shí)由于葉道渦不明顯，預(yù)計(jì)改型后水輪機(jī)在振動(dòng)、噪聲方面較前有一定的改善。

（5）受機(jī)組尾水結(jié)構(gòu)的影響，HLYL41-LJ-107轉(zhuǎn)輪流線分布不如HLA548-LJ-105轉(zhuǎn)輪流線分布均勻（圖7、圖8），在尾水流道內(nèi)有輕微的紊流現(xiàn)象，動(dòng)能回收系數(shù)略低，屬于可接受范圍。

綜上所述，根據(jù)在35%、45%、100%額定出力工況下對水輪機(jī)內(nèi)部的流線分析，更換HLYL41-LJ-107轉(zhuǎn)輪是可行的，其綜合性能指標(biāo)要優(yōu)于HLA548-LJ-105轉(zhuǎn)輪，預(yù)計(jì)技改后機(jī)組效率提高約5%。

5 實(shí)際使用效果

本次技改工作更換了HLYL41-LJ-107轉(zhuǎn)輪、負(fù)曲率活動(dòng)導(dǎo)葉等。技改完成的試驗(yàn)及運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示：

（1）額定水頭下，機(jī)組啟動(dòng)開度17%，空載開度11%，甩100%負(fù)荷時(shí)轉(zhuǎn)速上升率28%，蝸殼壓力上升率30%，滿足機(jī)組調(diào)保要求。

（2）額定水頭下，在78%導(dǎo)葉開度時(shí)，發(fā)電機(jī)達(dá)到額定出力5 MW。此時(shí)水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，機(jī)組各部軸承最大振動(dòng)16 μm，遠(yuǎn)小于修前。水輪機(jī)機(jī)坑內(nèi)最大噪聲105 dB，較修前降低約3～5 dB。98%導(dǎo)葉開度時(shí)，發(fā)電機(jī)出力達(dá)到6 MW，水輪機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，各部軸承振動(dòng)及水輪機(jī)坑內(nèi)噪聲等與5 MW時(shí)基本相同，也印證了當(dāng)初對水輪機(jī)改型后振動(dòng)即噪聲有所改善的預(yù)計(jì)。

（3）通過電站2個(gè)多月的運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，技改后水輪機(jī)效率較另外2臺(tái)有所提高，相同條件下機(jī)組發(fā)電量提高約6%。

通過本次技改前期的CFD分析，為轉(zhuǎn)輪選型的合理性、可行性做了定量的分析，有針對性地提出了如改進(jìn)活動(dòng)導(dǎo)葉葉型等建議。各項(xiàng)數(shù)據(jù)表明，運(yùn)行結(jié)果符合CFD分析預(yù)期。