雷 恒，劉子祺，高新江，趙 青，孫見波

（1.小流域水利河南省高校工程技術(shù)研究中心，河南開封 475004；2.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南開封 475004；3.黃河小浪底水資源投資有限公司，鄭州 450003；4.中國水利水電第五工程局有限公司，成都 610065；5.水利部農(nóng)村電氣化研究所，杭州 310032）

0 引 言

我國20世紀(jì)六七十年代修建的一大批水電站，受到當(dāng)時的設(shè)計制造技術(shù)條件限制，加上長期運行，水輪機部件尤其是過流部件磨損、空蝕嚴(yán)重，導(dǎo)葉漏水嚴(yán)重，水輪機的性能指標(biāo)低下。由于電站埋設(shè)部件無法更換，新型轉(zhuǎn)輪與老舊型號無法匹配，重新設(shè)計開發(fā)成本過高，電站整套過流部件更換難度較大。因此，對于此類電站，水輪機改造性能優(yōu)化預(yù)測既減少了水機模型試驗等一系列的復(fù)雜過程［1-3］，同時又降低了改造成本，獲取良好的效果。

某水電站安裝3臺混流式水輪發(fā)電機組，單機容量45 MW，水輪機額定水頭54 m，最大水頭66 m，最小水頭47 m，額定流量98 m3/s。電站投產(chǎn)運行近40年，轉(zhuǎn)輪為吸收國外廠家技術(shù)并自行設(shè)計制造，水輪機效率設(shè)計值偏低，且電站所處河流泥沙含量較大，過流部件空蝕磨損嚴(yán)重，尤其是轉(zhuǎn)輪葉片、活動導(dǎo)葉歷經(jīng)多次大修，但主體已嚴(yán)重變形，效率下降明顯，長期達(dá)不到設(shè)計運行要求，機組穩(wěn)定性差，運行維護(hù)成本高昂。

1 改造方案

1.1 轉(zhuǎn)輪設(shè)計

通過技術(shù)可行性和可靠性分析，選擇國內(nèi)高效的二灘轉(zhuǎn)輪（以下簡稱“ET 轉(zhuǎn)輪”）為基礎(chǔ)進(jìn)行改造［4］，ET 模型轉(zhuǎn)輪和本電站模型轉(zhuǎn)輪參數(shù)見表1。

表1 ET模型轉(zhuǎn)輪和本電站模型轉(zhuǎn)輪參數(shù)Tab.1 The model runner parameters of ET and this power station

1.2 比選方案

改造優(yōu)化的目的是既要水輪機在滿足適當(dāng)增容、效率適當(dāng)提高的情況下，機組能在小負(fù)荷工況長時間運行，又必須使機組能在高水頭工況安全穩(wěn)定運行。保持轉(zhuǎn)輪上冠最大外徑和下環(huán)最大外徑不變，不改變埋設(shè)部件，結(jié)構(gòu)工藝滿足，以此為基礎(chǔ)提出兩種改造優(yōu)化方案，改造方案2 在方案1 的基礎(chǔ)上，導(dǎo)葉分布圓直徑和導(dǎo)葉數(shù)量不變，僅對活動導(dǎo)葉重新設(shè)計，原型機和改型機幾何參數(shù)見表2。

表2 原型機和改型機幾何參數(shù)表Tab.2 Geometric parameters of prototype and variant

新選擇的轉(zhuǎn)輪能否匹配過流部件尺寸，運行中水流流態(tài)如何，過流部件是否還需優(yōu)化，均有必要對轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)水機構(gòu)及尾水管等部位進(jìn)行分析。

2 CFD三維仿真計算與流場分析

2.1 模型基本方程

混流式水輪機過流部件水力流動特性方程（N-S方程）［5］：

式中：ρ為水體密度；ui、uj為平均速度（i、j=1，2，3）；p″為等效壓力；μe為流體黏性系數(shù)。

本計算采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程使N-S方程封閉［6］，其方程形式如下：

式中：取Cμ= 0.09，σk= 1.0，C1ε= 1.44，C2= 1.9；k為湍動能；ε為耗散率［7］。

通過GMBIT和TGRID對計算區(qū)域進(jìn)行離散，方程采用二階迎風(fēng)差分格式，采用SIMPLE算法實現(xiàn)壓力和速度計算求解［8］。

2.2 邊界條件

混流式水輪機過流通道整體模型共劃分808 733 個單元，302 146 個網(wǎng)格節(jié)點［6］，如圖1所示。設(shè)定邊界條件：采用速度進(jìn)口、自由出口、無滑移壁面邊界［9］。計算工況設(shè)置見表3。

表3 計算工況設(shè)置Tab.3 Operating condition setting

2.3 流場分析

為了充分對水輪機轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)水機構(gòu)和尾水管改造前后進(jìn)行比較，分別對表3中各工況進(jìn)行計算，模擬了各工況的流場分布情況，這里僅對額定工況進(jìn)行分析。

水輪機改造前，轉(zhuǎn)輪葉片背面約1/4 區(qū)域出現(xiàn)負(fù)壓，最低壓力值為（-4.28×104～-2.87×104）Pa之間［8］，如圖2（a）所示；導(dǎo)水機構(gòu)出口切向速度：固定導(dǎo)葉為11.3～12.5 m/s、活動導(dǎo)葉為15.7～16.8 m/s，如圖3（a）所示；尾水管進(jìn)口速度：軸向為-1.33～-0.2 m/s、圓周為-3.62～-2.56 m/s［10］，彎曲段底部有輕微回流，渦帶較粗，無負(fù)壓，如圖4（a）所示。

方案1 改造后，轉(zhuǎn)輪葉片背面仍有約1/5 區(qū)域出現(xiàn)負(fù)壓，最低壓力值為（-5.39×104～-1.02×104）Pa 之間，如圖2（b）所示；導(dǎo)水機構(gòu)出口切向速度：固定導(dǎo)葉為8.9～9.9 m/s、活動導(dǎo)葉為15.9～16.9 m/s，如圖3（b）所示；尾水管進(jìn)口速度：軸向為-2.98～-1.78 m/s、圓周為-2.62～-1.51 m/s，如圖4（b）所示。

方案2 改造后，轉(zhuǎn)輪葉片背面負(fù)壓面減小，最低壓力值為（-4.27×104～-2.60×104）Pa 之間，如圖2（c）所示；導(dǎo)水機構(gòu)出口切向速度：固定導(dǎo)葉為9.63～11.7 m/s、活動導(dǎo)葉為14.7～15.7 m/s，如圖3（c）所示；尾水管進(jìn)口速度：軸向為-1.69～-1.19 m/s、圓周為-1.53～-0.49 m/s，如圖4（c）所示。

計算表明，在額定工況下，方案2改造后導(dǎo)水機構(gòu)與轉(zhuǎn)輪設(shè)計匹配度較好，水力速度沖擊有輕度減小。管內(nèi)無負(fù)壓，有反向渦帶，渦帶較細(xì)，水力性能良好。轉(zhuǎn)輪運行狀況改善，抗空蝕性能提高。

3 改造前后水輪機性能分析

方案1 改造后，在大開度工況下，水輪機低水頭運行，轉(zhuǎn)輪易發(fā)生空蝕，運行狀況不利，應(yīng)避免在此范圍內(nèi)運行；在額定工況下運行，空蝕仍較嚴(yán)重；在小開度、小流量工況下運行，轉(zhuǎn)輪葉片背面負(fù)壓區(qū)域雖然很少，水力速度沖擊沒有顯著差別，但水輪機效率無明顯提高，尤其是在70 m3/s 以下時，說明導(dǎo)水機構(gòu)與轉(zhuǎn)輪匹配度不高，尾水管渦帶較嚴(yán)重；流量在95 m3/s 以上時，效率和出力雖有提高，但水輪機很少在此范圍內(nèi)運行。

方案2改造后，在各典型工況下運行，水輪機效率和出力均有改善，在70～90 m3/s的流量范圍內(nèi)運行，轉(zhuǎn)輪葉片背面負(fù)壓范圍不大，效率可達(dá)91%～92.45%，效率提高明顯，出力平均提高1 000～1 400 kW，尤其是額定工況下，效率提高9.45%、出力提高1 330 kW，性能優(yōu)化明顯；超過95 m3/s 時，轉(zhuǎn)輪易發(fā)生空蝕，尾水管存在細(xì)小渦帶，但水輪機在此范圍內(nèi)運行幾率不大；低于70 m3/s 的流量時，尾水管渦帶仍存在一定較粗的渦帶，但水輪機整體運行狀況良好。

對比以上兩種改造方案，如表4所示，方案2（同時改造轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)水機構(gòu)）導(dǎo)水機構(gòu)與轉(zhuǎn)輪匹配度較為理想，水輪機各部件流道水力損失較小、抗空蝕性能得到增強，效率和出力得以提高。額定水頭工況下計算結(jié)果與模型試驗結(jié)果對比見圖5。

表4 改造前后各工況主要性能參數(shù)對比Tab.4 Comparison of main performance parameters in different working conditions before and after modification

4 結(jié) 論

本文通過兩種水輪機流道部件改造方案，利用CFD 進(jìn)行三維仿真計算，分析了各典型工況下水輪機轉(zhuǎn)輪葉片云壓、導(dǎo)水機構(gòu)及轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流道瞬時流速、尾水管流道瞬時流速，對比了水輪機效率和出力改善提高情況。結(jié)果表明，同時改造轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)水機構(gòu)，改善了混流式水輪機過流部件內(nèi)部水力特性，提高了水輪機效率和抗空蝕性能，增加了出力，運行穩(wěn)定性增強，降低了改造成本，為類似水輪機改造提供了一定的借鑒參考。 □