水力透平水动力学设计及性能预测

（西华大学，成都 610039）

0 引言

水电站技术供水系统主要向水电机组相关设备提供冷却和（或）润滑水，其对水电机组正常运行有着至关重要的作用。技术供水方式通常有自流供水、水泵供水、混合供水等。其中自流供水方式应用在较高水头电站时，需要用减压阀进行减压，这必然造成能量损失，然而采用恰当的水力透平方案既能进行能量回收，又能起到减压的作用[1-9]。

1 工程背景

四川某水电站装设有4台（单机25 MW）立轴混流式水轮发电机组，电站设计水头156 m，单机设计流量 16.46 m3/s，年平均发电量 3.5×109kW·h，年平均利用3 890 h。水电站技术供水情况如下：（1）取水、供水方式：压力钢管取水，自流减压供水；（2）取水总管管径：250 mm；（3）减压阀进口压力：1.3～1.8 MPa之间，额定压力为 1.5 MPa；（4）减压阀出口压力：0.25～0.35 MPa之间，额定压力为0.3 MPa；（5）单机技术供水用水量300 m3/h。由此可知，减压阀的前后压差为1.2 MPa。

2 水力设计参数确定

结合上述工程背景，由于该电站2台机组共用一个减压阀，其过流量为2台机组技术供水量之和，所以水力透平额定工况流量QTr为600 m3/h、水头HTr为120 m。再考虑采用额定转速为2 950 r/min的异步电机作为发电机，因此其在发电工况下的转速n设定为3 050 r/min。至此水力透平的主要水力设计参数就已确定。

为了采用CFturbo进行水动力学设计，需确定对应泵工况下的水力设计参数，根据文献[10]可确定相同转速下泵设计工况参数。

（1）泵扬程HP与水力透平水头HT之间的关系可表示为：

式中 μ——滑移系数；

ηhp——水泵水力效率；

ηht——水力透平水力效率。

（2）泵流量QP与水力透平流量QT之间的关系可表示为：

此外，文献[10]列出了部分泵做水力透平的试验结果，见表1。

表1 水泵工况和水力透平工况试验结果[11-16]

参考表1和文献[17]，初步取QP/QT=0.75、HP/HT=0.68。因此，根据水力透平的设计参数可确定泵工况下的额定流量QPr为450 m3/h、扬程HPr为 81.6 m、转速 nP为 3 050 r/min。

一般情况下，泵作水力透平时效率略低于泵的效率。因此，只有所设计的泵具有较高的效率，在水力透平工况才可能具有较高的效率。参照文献[18]，泵的效率与比转速相关。由泵设计参数确定泵比转速ns为145，根据文献[18]可知，其最高效率ηpmax应不低于83.5%。

3 水力透平水动力学设计

利用泵反转作水力透平的思想，首先应对泵进行水动力学设计。CFturbo是一款专业的泵设计软件，它只需要输入一些基本的设计参数，再进行局部调整，就可以快速生成叶轮、蜗壳等部件的实体。

3.1 叶轮设计

在Cfturbo建模界面输入泵额定工况的流量、扬程和转速，软件即可根据强大的离心泵数据库自动生成合适的离心泵轴面投影图，再适当调整叶轮前、后盖板流线，以保证过流断面面积变化尽量平滑。同时，软件即可自动设计出叶片雏形，再根据实际需要对进口边倒圆角、调整叶片厚度，最后完成三维模型设计，叶轮水体和叶片实体分别如图1（a）、（b）所示。叶轮的基本参数见表2。

图1 叶轮水体与叶片模型

表2 叶轮参数

3.2 蜗壳设计

在CFturbo中蜗壳设计与传统设计方式基本一致，根据软件提示进行参数适当调整，最后生成蜗壳实体，如图2所示。该蜗壳出口直径为150 mm。

图2 蜗壳三维实体

3.3 尾水管设计

根据电站现场情况，水力透平拟采用管道泵结构布置方式。对于该结构，因其进出口口径相同且在同一直线上，仿似一段管道，可安装在管道的任何位置。当泵做水力透平时，泵的吸水室相当于水力透平的尾水管，所以水力透平尾水管的设计相当于泵吸水室的设计。根据工况相似的管道泵尺寸，即可设计泵吸水室，即水力透平的尾水管，其出口直径为150 mm。

由于实际供水系统中取水总管直径为250 mm，因此水力透平的进出口段均需加入一段渐变段与管道匹配。

经过上述设计，最后得到水力透平的全流到三维水体模型如图3所示。

4 性能预测

将模型导入ANSYS CFX前处理软件ICEM进行网格划分，采用非结构化网格，网格总数为1 913 781，最差网格质量为0.25。数值模拟采用标准湍流模型。选择25 ℃水为输送介质。

进口边界条件按质量流量进口设定，对泵工况在270～630 m3/h流量范围内设定5个工况计算；对水力透平工况在360～840 m3/h流量范围内设定5个工况计算。

出口边界条件采用静压出口条件，对泵工况出口（即水力透平进口）静压设定为1.5 MPa，对水力透平出口静压设定为0.3 MPa。

固壁条件：各固体壁面均采用无滑移壁面边界条件，设置叶轮为转动部件，其转速设定为3 050 r/min，蜗壳及尾水管为固定部件。

交界面：叶轮与蜗壳、叶轮与尾水管的交界面为动静交界面，采用Frozen Rotor处理，其余交界面定义为静静交界面。

4.1 水力透平性能预测

对泵工况，在保持出口压力不变的情况下，取0.6QPr，0.8QPr，1.0QPr，1.2QPr，1.4QPr等 5 个计算流量工况进行数值模拟，以预测泵的性能。预测结果见表3。

表3 泵性能参数

预测结果表明，泵在额定流量处扬程为80.93 m，仅比设计值低0.67 m，相对误差为0.81%。在该流量下泵水力效率最高，为86.94%，再考虑容积损失效率和机械效率均为99%，则在额定流量处泵的效率ηP为85.210%，满足设计要求。

对水力透平工况，在保持出口压力不变的情况 下，取 0.6QTr，0.8QTr，1.0QTr，1.2QTr，1.4QTr等 5个计算流量工况进行数值模拟，以预测水力透平的性能。预测结果见表4。

表4 水力透平性能参数

预测结果表明，在额定流量下水力透平水头为123.77 m，比设计值大3.77 m，相对误差仅为3.14%。另一方面，若水力透平按120 m水头工作时，其流量为589.77 m3/h，相比额定流量减少了10.23 m3/h，相对误差仅为1.7%。水力透平的最高水力效率在0.9QTr处，为87.21%，额定流量时的水力效率为83.53%，仅比最高效率下降3.68%。再考虑容积效率和机械效率，额定流量处水力透平的效率ηT为81.86%。

4.2 节能效益分析

在额定流量工况下，采用水力透平替代减压阀后，每台水力透平可输出的电功率按下式计算：

式中 P——电功率，kW；

ρ——密度，kg/m3；

ηg——发电机效率，取ηg=85%。

由式（3）计算可知，每台水力透平可输出电功率P为140.81 kW。

由于该电站共设有两台减压阀，所以应设两台水力透平。按该电站水轮发电机组年利用小时数计算，每年可产的电能A可按下式计算：

式中 A——电能，kW·h；

n——水力透平数；

T——年利用小时数，h。

由式（4）计算可得，每年由水力透平获得的电能为 1 095 501.8 kW·h。

按2017年四川省水电上网电价对年调节水电站的上网电价规定，以 0.39元 /（kW·h）的电价计算，因此节能收益Y为：

由式（5）可知电站每年节能效益为可达42.72万元，节能效益显著。但是，实际上由于机组运行的需要，水力透平的年工作小时数比机组年利用小时数大。因此，其节能效益更加显著。

5 结论

（1）利用泵反转可作水力透平的思想，采用Cfurbo软件首先对泵进行水动力学设计，额定工况扬程与初定值误差仅为0.82%，最高效率为85.21%，其设计结果达到了泵工况水力性能要求。

（2）相应的水力透平在额定流量下水头为123.77 m，与设计值误差仅为3.17%，且能满足供水系统减压要求。相比泵工况而言，水力透平的效率有所下降，但总体效率较高，额定流量时效率为81.86%

（3）利用水力透平代替减压阀可获得显著的节能效益，该技术可在同类型水电站技术供水系统中推广应用。