譚政武

(中國南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司天生橋水力發(fā)電總廠，貴州 興義 562400)

對水電站而言，水輪機的選型合理與否不僅關(guān)系到電站建設(shè)投資的經(jīng)濟性，對電站未來的安全經(jīng)濟運行也有著重要影響。水輪機的型式是否與電站建成后的實際情況相吻合，最關(guān)鍵的兩個因素是:當(dāng)?shù)厮臈l件是否與水輪機參數(shù)相符合;水輪機選型設(shè)計是否準(zhǔn)確。我國現(xiàn)有的老水電站及中小型水電站，一方面由于年代久遠，水文條件特別是上下游水位及徑流量發(fā)生了變化;另一方面當(dāng)時水輪機選型多采用型譜法或套用法，或多或少都存在著過于粗劣、型譜有限等缺點，導(dǎo)致實際制造的水輪機與設(shè)計要求有一定的出入。

這兩種因素都會導(dǎo)致設(shè)計工況下水輪機效率下降，甚至可能誘發(fā)水輪機的異常震動，造成水輪機零部件的磨損、破壞。采用CFD方法，仿真水輪機內(nèi)部流場，獲取轉(zhuǎn)輪進口面環(huán)量和蝸殼進口面與尾水管出口面能量差等參數(shù)，進而預(yù)測水輪機效率和空化性能，為水輪機工況優(yōu)化提供了實用的新方法，另外對電站技術(shù)改造也具有重要的借鑒意義。

1 能量性能預(yù)估模型

水輪機的有效水頭可用轉(zhuǎn)輪進口面的環(huán)量計算得到:

其中，Vu為轉(zhuǎn)亂進口面絕對速度的周向分量;U為轉(zhuǎn)輪進口面的圓周速度;n為轉(zhuǎn)輪進出口面上的網(wǎng)格節(jié)點數(shù);g為重力加速度。

工作水頭可以通過計算蝸殼進口面和尾水管出口面的能量差得到:

其中，p為水輪機進出口面的靜壓力值;ρ為流體密度;Z為網(wǎng)格點的高程;V為此面上的絕對速度;n為此面上的網(wǎng)格點數(shù)。

水力效率的計算公式:

2 空化性能預(yù)估模型

水流通過轉(zhuǎn)輪時，轉(zhuǎn)輪葉柵的翼型剖面上壓強是在變化的，在速度最高處，其壓強最低。水輪機葉片壓強最低處一般在葉片吸力面出口邊往里一點K處，若K點壓強等于或小于空化壓強時，則在葉片表面產(chǎn)生空化。

葉輪上壓強最低點K處的真空度為:

其中，HSK為靜態(tài)真空，hVA為動力真空。

水輪機空化特性通常用空化系數(shù)σ的大小來評價。σ是水輪機的一個動態(tài)參數(shù)，是一個無因次量，在物理意義上它表示了水輪機工作輪中的相對動力真空值。

根據(jù)能量方程可以得出

由此可以推導(dǎo)出

其中，ps為尾水管出口處壓強;Vs為尾水管出口處的速度;Hs為尾水管高程;pK為K點的壓強;HK為K點的高程;Hr為工作水頭。

3 工程實例分析

某水電站是上世紀(jì)80年代建造，采用的是2臺低比轉(zhuǎn)速HL160型混流式水輪機，機組設(shè)計水頭65 m，設(shè)計流量3.81 m3/s，依據(jù)水泵特性曲線，設(shè)計工況下的水輪機效率為91.2%，實測效率僅為89.1%，兩者之間有一定的偏差。由于上游徑流量變化，目前水頭僅為63.2 m，工作條件也發(fā)生了變化，另外，當(dāng)?shù)赜秒娏吭黾樱姀S面臨增容改造壓力。為此，以電廠實測真機水輪，構(gòu)建水輪機全流道模型，模擬增加流量后的水輪機效率，并檢驗增容改造的可行性。設(shè)定模擬如下9個工況進行比較分析，見表1。

表1 模擬工況點

對表1所示工況進行CFD仿真，結(jié)果見圖1。總體來看，各工況下，從蝸殼出口到蝸殼進口，速度矢量沿徑向均勻增大，過渡平穩(wěn)，基本沒有較明顯的突變，而且速度分布在圓周方向具有較好的對稱性，僅在與固定導(dǎo)葉入口相鄰的蝸殼出口處，存在較小的撞擊脫流。蝸殼內(nèi)部流動的速度分布比較均勻，流動狀況比較理想，蝸殼水力性能優(yōu)良。

圖1 各工況蝸殼速度矢量圖

導(dǎo)葉開度為20 mm(如圖1中的a、b、c)時，各導(dǎo)葉區(qū)間內(nèi)速度分布從固定導(dǎo)葉進口到活動導(dǎo)葉出口基本均勻增大，僅在固定導(dǎo)葉和活動導(dǎo)葉頭部有較小的正撞擊，但沒有在負壓面引起脫流，而且速度分布在圓周方向的對稱性也比較好。新流量下，各導(dǎo)葉區(qū)間內(nèi)速度矢量分布從固定導(dǎo)葉進口到活動導(dǎo)葉出口均勻增大，流線順暢，導(dǎo)葉進出口基本沒有明顯脫流、漩渦發(fā)生，進口沖角接近零，為無撞擊進口。

導(dǎo)葉開度較大時(如圖1中的e、f、g)，活動導(dǎo)葉的頭部產(chǎn)生了高壓區(qū)，部分活動導(dǎo)葉的正面出現(xiàn)了脫流，產(chǎn)生了低壓區(qū)。隨著導(dǎo)葉開度的增大，活動導(dǎo)葉的水流駐點慢慢偏移至導(dǎo)葉背面，同時在活動導(dǎo)葉正面出現(xiàn)了脫流，并在正面產(chǎn)生低壓區(qū)。這時活動導(dǎo)葉出口周向速度呈較大增加趨勢，將會引起較大的水力損失。

4 水輪機性能預(yù)估結(jié)果

根據(jù)水輪機的CFD計算結(jié)果，按照式(1)～式(6)進行水輪機的性能預(yù)估。圖2代表設(shè)計流量下CFD預(yù)估的效率曲線與電站實際運行測試的水輪機效率曲線之比。

由圖2可見，在工況4時，水輪機的效率最高，其預(yù)測值為91.76%，實際運行測試值為90.98%，兩者誤差僅為0.9%，顯然通過CFD仿真模擬所得的預(yù)測結(jié)果是可信且可靠的的。對于設(shè)計流量而言，導(dǎo)葉開度較大或較小時由于偏移了最佳工況區(qū)域，所以效率較低，在實際運行中應(yīng)該避免在此區(qū)域運行。在設(shè)計工況點，水輪機出力為2 835 kW，能滿足發(fā)電設(shè)計的要求(2 500 kW)。

圖2 實測效率與預(yù)估效率之比

水輪機空化系數(shù)是表征水輪機轉(zhuǎn)輪空化性能的重要參數(shù)，它與轉(zhuǎn)輪翼型和水輪機的工況有關(guān)，還與尾水管的性能有關(guān)。設(shè)計和選用水輪機時，在保證良好的能量特性情況下應(yīng)使水輪機的空化系數(shù)值盡可能小。根據(jù)轉(zhuǎn)輪流場計算結(jié)果，在葉片上壓力最低處取一條流線，可計算出水輪機空化系數(shù)。設(shè)計流量下，工況2、4、6、8時水輪機空化系數(shù)分別為0.09，0.024，0.066，0.118。顯然，隨著導(dǎo)葉開度的增加，空化系數(shù)也隨之增加。這是因為隨著導(dǎo)葉開度增加以后，葉片正背面壓力差增加，使葉片背面的壓力降低的緣故。因此，用穩(wěn)定流場的數(shù)值計算結(jié)果可以得到空化系數(shù)隨工況變化的變化趨勢。

上述關(guān)于設(shè)計流量下的水輪機效率和空化系數(shù)的分析，充分證明了水輪機性能預(yù)測的準(zhǔn)確性?，F(xiàn)對新設(shè)計流量下，即流量為4.19 m3/s時水輪機CFD模擬結(jié)果進行效率預(yù)測和空化系數(shù)計算，結(jié)果見表2。顯然新設(shè)計流量下，水輪機的最高效率比設(shè)計工況有所降低，但降幅不大，完全可以滿足發(fā)電需要。由此表明，新設(shè)計方案是可行的。

表2 新設(shè)計流量下水輪機性能估計

5 結(jié)論

1)通過CFD的水輪機全流道仿真模擬，預(yù)測水輪機在設(shè)計工況下的效率，并將其與電站相同工況下實測效率作比較，證明了CFD技術(shù)的可靠性，并在此基礎(chǔ)上預(yù)測了水輪機空化特性:空化系數(shù)隨著導(dǎo)葉開度的增加而增加。

2)利用CFD技術(shù)，進行新設(shè)計工況的模擬仿真，得到新工況下的水輪機效率及空化系數(shù)，為電站運行優(yōu)化提供了具有實用價值的參考意見。同時，該方法的應(yīng)用對水電站技術(shù)改造提供了新的思路。

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