哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司 劉清勇

0 前言

通常認(rèn)為，水輪機(jī)蝸殼向固定導(dǎo)葉和活動導(dǎo)葉提供的水流應(yīng)當(dāng)是一樣的，然而事實(shí)并非如此。由于蝸殼中的水流轉(zhuǎn)彎產(chǎn)生二次流，從而導(dǎo)致圓周方向和高度方向流態(tài)的明顯不同。進(jìn)而引起不等的水力損失。蝸殼中水流轉(zhuǎn)彎處的水力損失主要是由于固定導(dǎo)葉的尾流引起的，特別是在蝸殼轉(zhuǎn)角120。附近的水力損失較大。為了減少這種損失，提高水輪機(jī)效率，就必須掌握流道內(nèi)部流態(tài)，明確損失發(fā)生機(jī)理，比較準(zhǔn)確地找出發(fā)生水力損失的具體部位。通過數(shù)值計(jì)算進(jìn)行流體的動態(tài)解析最早出現(xiàn)于1931年，直到80年代隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖形處理和數(shù)值算法的迅速發(fā)展才被開發(fā)成為工程應(yīng)用軟件，并在系統(tǒng)工程中得到集成應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。

1 開發(fā)歷程

雖然流體動態(tài)解析技術(shù)的發(fā)展已有70多年的歷史，但是借助于計(jì)算機(jī)進(jìn)行這種解析卻是最近20多年的開發(fā)結(jié)果（表1）。

2 基本方法

2.1 一維二維解析

表1 流態(tài)解析技術(shù)開發(fā)歷程

采用微機(jī)進(jìn)行流體動態(tài)解析的一維方法是在80年代開發(fā)和應(yīng)用的。它以水力損失模型為基礎(chǔ)，對水輪機(jī)整體進(jìn)行一維、后來是二維解析，提出轉(zhuǎn)輪軸的入口和出口設(shè)計(jì)。由于對流場的假定不能夠滿足水流的運(yùn)動方程，沒有考慮轉(zhuǎn)輪本身的轉(zhuǎn)動和轉(zhuǎn)輪中速度環(huán)量分布對流場影響，與實(shí)際情況有較大的偏離，致使轉(zhuǎn)輪試驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)預(yù)期值的偏差較大。

2.2 準(zhǔn)三維有勢解析

大約在1988年，出現(xiàn)了準(zhǔn)三維有勢解析方法，它不僅考慮了連續(xù)方程和能量方程，還考慮了水流的運(yùn)動方程，可使計(jì)算出的軸面流場更加符合實(shí)際情況，從而可提高轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)計(jì)算的正確性。但是這種方法僅限于轉(zhuǎn)輪，麗不包括其它部件在內(nèi)的水輪機(jī)整體。這種方法可在綜合二維解析情況下得到轉(zhuǎn)輪葉片人口和出口的平均曲面設(shè)計(jì)。

2 .3 二維歐拉解析

采用歐拉方程法的三維解析大約出現(xiàn)在90年代，它考慮了大規(guī)模渦流，能在流線上以速度分布為蒸準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪葉片翼型設(shè)計(jì)的最優(yōu)化。

2.4 三維紊流解析

能夠考慮到粘性來預(yù)測轉(zhuǎn)輪水力損失的三維紊流解析法大約在1995年出現(xiàn)，起初只限于轉(zhuǎn)輪，很快又?jǐn)U大到導(dǎo)葉。它使轉(zhuǎn)輪實(shí)現(xiàn)了考慮了流態(tài)粘性的三維設(shè)計(jì)。粘性較大的部位在流道內(nèi)壁表面附近，對此可通過劃分更加細(xì)密的網(wǎng)格來提高解析精確度。

2.5 非正常流態(tài)解析

考慮到非正常流態(tài)引起的水力損失的三維紊流解析方法的開發(fā)和應(yīng)用是最近幾年的事。水輪機(jī)中影響最大的非正常流態(tài)是導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪葉片的葉柵干涉引起的，特別是導(dǎo)葉的粘性后流和轉(zhuǎn)輪葉片水力損失發(fā)生機(jī)理的關(guān)系，仍在深入探討。這種解析方法已考慮到葉柵流道的干涉來預(yù)測水輪機(jī)的整體性能，同時(shí)它又考慮到上下游水流而采用新概念的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

3 解析流程

為了實(shí)現(xiàn)高效率水輪機(jī)設(shè)計(jì)，首先應(yīng)進(jìn)行下述性能預(yù)測并需經(jīng)過新型式大比例低轉(zhuǎn)速試驗(yàn)裝置的驗(yàn)證。 采用流態(tài)解析的水輪機(jī)設(shè)計(jì)和性能預(yù)測流程如下：(1)水頭，流量，轉(zhuǎn)速；(2)轉(zhuǎn)輪入口和出口速度三角形(輸入基本數(shù)據(jù))；(3)一維損失解析；(4)第一次性能預(yù)測[不滿意就返回項(xiàng)(2)，重新進(jìn)行]；(5)固定導(dǎo)葉、活動導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪葉片剖面圖設(shè)計(jì)(輸入基本數(shù)據(jù))；(6)雙重葉柵、轉(zhuǎn)輪葉片、邊界層計(jì)算、歐拉流體動態(tài)解析；(7)葉柵整體流態(tài)粘性；(8)第二次性能預(yù)測[輸入蝸殼、尾水管損失計(jì)算，不滿意就返回項(xiàng)(5)，重新進(jìn)行]；(9)水輪機(jī)整體流態(tài)粘性解析；(10)第三次性能預(yù)測[不滿意就返回項(xiàng)(5)，重新進(jìn)行]；(11)葉柵干擾解析；(12)結(jié)構(gòu)、振動評價(jià)；(13)制成模型圖。上述解析結(jié)果因網(wǎng)格形狀、紊流模型的選擇方法和給定的邊界條件的不同而異，要求對解析結(jié)果加以驗(yàn)證，對解析精度也需加以確認(rèn)。網(wǎng)格劃分的細(xì)密化有助于提高解析精度。同時(shí)采用先進(jìn)的非接觸式(掃描)測量手段，具有較高的時(shí)問和空間分辨率，測量精度很高。

4 主要優(yōu)點(diǎn)

采用流體動態(tài)解析軟件新技術(shù)進(jìn)行水輪機(jī)的設(shè)計(jì)和性能預(yù)測的主要優(yōu)點(diǎn)是效率高、精度高和開發(fā)周期短。它能準(zhǔn)確地找出發(fā)生水力損失的具體部位及其產(chǎn)生機(jī)理，從而可采取針對性措施來減少損失和提高效率，通?？商岣?個(gè)百分點(diǎn)以上。由于網(wǎng)格劃分節(jié)點(diǎn)數(shù)目增加了千倍以上，使解析精度電大為提高。以前的方法是通過模型試驗(yàn)測量內(nèi)部流態(tài)，找出損失發(fā)生部位，然后進(jìn)行流道、葉柵改進(jìn)。

與傳統(tǒng)的模型試驗(yàn)和畢托管測流法相比，由于實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)可視化和圖形的后處理，便能更準(zhǔn)確、更細(xì)致地描繪出流體的速度、壓力等物理量的分布情況，因而能大幅度縮短水輪機(jī)的開發(fā)時(shí)間，更準(zhǔn)確地預(yù)測其性能，更完善地實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，甚至把效率提高到能達(dá)到的最高值。進(jìn)一步提高水輪機(jī)效率的方法是：(1)通過三維解析、低速旋轉(zhuǎn)摸型試驗(yàn)，掌握流道內(nèi)部流態(tài)，明確損失發(fā)生的機(jī)理；(2)通過CAE系統(tǒng)、優(yōu)化設(shè)計(jì)工具，進(jìn)行最低損失的葉柵、流道設(shè)計(jì)；(3)根據(jù)摸型性能試驗(yàn)、整體流態(tài)解析、低速旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)，驗(yàn)證整體性能。

5 應(yīng)用效果

5.1 發(fā)電機(jī)

等效風(fēng)路法是將直流電器回路中的基爾霍夫法則套用于通風(fēng)冷卻風(fēng)路的方法，它是目前最廣泛應(yīng)用的，可以掌握風(fēng)路內(nèi)的流態(tài)，提高冷卻性能的精度。然而該法是以真機(jī)或?qū)嶒?yàn)等經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，其精度不能超出經(jīng)驗(yàn)范圍，要想進(jìn)一步提高精度，只能采用流態(tài)解析法。流體動態(tài)數(shù)值解析法以描述質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒的基本方程為基礎(chǔ)，能彌補(bǔ)單憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)的不足，是優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效工具，也是網(wǎng)絡(luò)法的補(bǔ)充手段，也可獨(dú)立作為一種工具來計(jì)算流體傳熱、溫度甚至通風(fēng)損耗，它的解析精度較高。

采用流體動態(tài)數(shù)值解析法進(jìn)行通風(fēng)冷卻設(shè)計(jì)的世界單機(jī)容量最大的三峽（右岸）700MW機(jī)全空冷巨型水輪發(fā)電機(jī)，徹底打破了外商的價(jià)格壟斷，大幅度降低了制造和維護(hù)成本。機(jī)組運(yùn)行實(shí)踐證明：這種產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單，風(fēng)量足夠，風(fēng)量分配合理，通風(fēng)損耗較低，溫升分布均勻，安裝周期縮短，調(diào)試方便，運(yùn)行安全可靠，檢修維護(hù)容易，運(yùn)行成本較低，很受用戶和市場歡迎。

5.2 水輪機(jī)

這種先進(jìn)技術(shù)能把水輪機(jī)的性能提高到它所能達(dá)到的最高值。最近在開發(fā)水利條件非?？量痰馁F州烏江構(gòu)皮灘水電站機(jī)組時(shí)，所研制的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪在國際聞名的、作為中立方的瑞士落桑水力機(jī)械研究所進(jìn)行模型驗(yàn)收試驗(yàn)的結(jié)果證明，最高效率竟達(dá)95.16%，居世界領(lǐng)先水平。

6 結(jié)論

自主創(chuàng)新開發(fā)應(yīng)用的流體動態(tài)數(shù)值解析高新技術(shù)，在大電機(jī)通風(fēng)冷卻、水輪機(jī)、風(fēng)輪機(jī)性能提高方面發(fā)揮重大作用。程序本身也在提高，需要我們不斷創(chuàng)新開發(fā)、擴(kuò)大應(yīng)用。