基于CFD的映秀湾电站水轮机转轮优化分析

杨 军，卿 彪

(国网四川省电力公司映秀湾水力发电总厂，成都 611830)

映秀湾水电站位于四川省汶川县境内，坐落于岷江上游左岸，系一低闸隧洞引水式径流电站。其机组在经过多年的运行之后，机组效率和水力稳定性降低，空化空蚀严重，严重影响了水轮发电机组的稳定、高效运行。因此为了提高机组性能，有必要对映秀湾电站机组转轮进行优化设计。本文先对转轮进行优化设计，而后采用计算流体动力学的方法(CFD)对转轮和活动导叶进行联合计算，进而分析新转轮的指标是否符合改造要求。

1 转轮设计

1.1 基础转轮的选择

现代水轮机水力设计的特点是针对某一电站的具体参数条件，首先选择尽量能够适应或接近于该电站参数的、性能较好的基础转轮，在此基础上应用现代水力设计手段进行转轮的优化设计[1]，使新设计出的转轮的各项性能指标全面优于原基础转轮，并且更加适应于电站的参数条件，表1为映秀湾电站原水轮机的设计参数，原水轮机转轮为A36。

此次改造的目的是为了提高水轮机效率并改善机组的水力稳定性。希望在水头未47～48 m ，水轮机出力为40 MW左右处于高效率区运行，而改造后水轮机额定出力不变，同时提高水轮机抗磨蚀能力。因此在此次改造过程中，能更换的只是转轮，导叶或者对固定导叶进行局部的修型处理，同时还得考虑实际通道条件的限制。

综合映秀湾电站的基本参数以及此次改造的目的，此次转轮的优化设计选择的基础转轮型号为A982，其能量指标，空化指标，以及压力脉动等性能指标都达到了很高的水平(见表2)。

1.2 转轮轴面图的对比

表1 原水轮机设计参数Tab1.Design parameters of raw water turbine

表2 A9822转轮基本能量指标Tab.2 Basic energy index of A982 runner

A982转轮与A36转轮的轴面图如图1所示，前者的导叶高度是0.288，后者的导叶高度是0.25，因此为了满足映秀湾电站的通道条件，在优化过程当中的，将A982转轮的上冠下压，将导叶高度由0.288下降到0.25，如图1中粗实线所示，这就是新转轮A606c转轮的流道图。新转轮 A606c比 A982的流量减小，基本适合于映秀湾电站参数要求，A982转轮下环轴面高度以及转轮出口直径与A36基本吻合， 故采用 A982做基础转轮的方案可使映秀湾电站原锥管保持不变。

图1 轴面比较图Fig.1 Comparison chart of axial plane

2 数值模拟

2.1 控制方程

为了使得转轮的计算更加合理，本次计算采用转轮与活动导叶联合计算的方式，其计算过程中涉及的控制方程如下[2-4]：

连续方程：

(1)

动量方程：

(2)

1986年Yakhot和Orszag提出RNGk-ε模型。Renormalization Group(译为重正化群)的缩写为RNG。修正后的k方程和ε方程形式分别如下：

(4)

(5)

式中：μt=ρCμκ2/ε为湍流黏度；μeff=μ+μt为有效黏性系数。

μt为分析了旋转叶轮式流体机械流场效果；Boussines，设：

2.2 模型建立

根据改型设计目标参数的要求，经过多次计算，比较改型前后转轮叶片区域工作面及背面压力分布、速度分布、流线分布的合理性，计算比较改型前后转轮数值效率的高低及转轮出口环量、最低压力以及流速变化，优化筛选出一个较优的设计方案。图2和图3分别是转轮联合计算的模型及网格划分，此次网格划分采用结构化网格，单周期网格节点数约为8万个。根据映秀湾电站水轮机运行负荷加权因子表的具体情况，在 CFD 计算时着重分析了最优工况、额定水头额定出力工况、最低水头额定出力工况和最大水头额定出力工况(见表3)。

图2 计算区域Fig.2 Calculation area

图3 网格划分Fig.3 Mesh generation

计算工况单位流量Q11/(m3·s-1)单位转速n11/(r·min-1)最优工况0．62069．00额定水头，额定出力0．73071．10最小水头，额定出力0．72576．20最大水头0．55064．30

2.3 模拟结果及分析

为了充分对改型转轮与原型转轮进行比较，分别对电站原转轮A36和改型后转轮 A606c 进行 CFD 分析计算。以下给出了电站原转轮 A36 和改型后转轮 A606c 在以上各个工况的流场分布情况，现仅列举最优工况下的模拟结果。

图4 A36和A606c叶片正面压力分布Fig.4 A36 and A606c blade positive pressure distribution

图5 A36和A606c叶片背面压力分布Fig.5 A36 and A606c blade negative pressure distribution

图6 A36和A606c叶片区域流线图压力分布Fig.6 Pressure distribution of flow line in A36 and A606c blade area

图7 A36和A606c叶片上冠附近速度矢量Fig.7 Velocity vector near the crown of A36 and A606c blade

图8 A36和A606c叶片中间流面速度矢量Fig.8 Intermediate velocity vector of A36 and A606c blade

图9 A36和A606c叶片下环附近速度矢量Fig.9 Velocity vector near the lower ring of A36 and A606c blade

从图4～图9的液体流态分析可以得出，新转轮 A606c叶叶片工作面和背面压力分布均匀，特别是背面压力分布明显好于 A36 转轮。新转轮叶片头部正面速度矢量分布均匀，没有出现叶片进口头部水流撞 击产生的回流现象，整个液道间流线分布合理。新转轮叶片头部背面速度矢量分布均匀，同样没有出现叶片进口头部水流撞击产生 的回流现象。通过多工况 CFD 分析结果分析可知，叶片正、背面脱流现象在映秀湾水轮机运行范围内基本不会出现。流态分布的均匀性将会对整个机组的稳定性非常有利。

图10的数值效率比较图计算了在额定水头下，不同流量工况点时数值效率。从图10可以看出，A606c转轮的数值效率始终高于A36转轮，在数值上提高了2.5%以上。从图11可以看出，在额定水头下，不同流量工况点，A606c的最低压力均大于相同条件下A36最低压力，这说明新转轮A606c的空化性能要优于旧转轮A36[5-7]。

图10 数值效率比较图(n11=71.1 r/min)Fig.10 Numerical efficiency comparison chart(n11=71.1 r/min)

图11 最低压力比较图(n11=71.1 r/min)Fig.11 Minimum pressure comparison chart(n11=71.1 r/min)

3 结 语

本文先对映秀湾电站机组的转轮进行了优化设计，在选择好合适的基础转轮之后，根据映秀湾电站的实际情况进行了修型处理得到了新转轮。随后利用CFD对映秀湾水电站新转轮进行了计算，从以上分析可以得出以下结论。

(1)新转轮A606c各项指标(能量指标，空化指标，稳定性等)都优于旧转轮A36。

(2)通过选择的基础转轮A982改造后的新转轮A606c满足映秀湾电站的实际条件。

(3)此次映秀湾电站的转轮改造达到了当初预计的改造要求。

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[1] 郑 源，鞠小明，程云山.水轮机[M].北京:中国水利水电出版社，2007.

[2] 王福军.计算流体动力学分析-CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社,2004.

[3] 谢洁飞,李香桂,杨 辉.基于CFD的离心泵内部流场数值模拟与性能预测[J]. 中南林业科技大学学报,2010,30(3):129-132.

[4] 杨敏官,顾海飞,刘 栋,等.离心泵叶轮内部湍流流动的数值计算及试验[J].机械工程学报，2006,42(12):181-185.

[5] 卿 彪，余 波，兰 崴,等.离心泵流动空化噪声测试[J].排灌机械工程学报，2016，34(3):198-203.

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