柯　強(qiáng)，劉小兵，周倩倩（. 西華大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，成都 6009；2. 中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)湖北有限公司十堰分公司，湖北 十堰 442000；. 流體及動(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 6009）

水輪機(jī)及水泵

混流式水輪機(jī)導(dǎo)葉相對(duì)位置對(duì)其水力性能的影響

柯強(qiáng)1，2，劉小兵3，周倩倩1
（1. 西華大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，成都 610039；2. 中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)湖北有限公司十堰分公司，湖北 十堰 442000；3. 流體及動(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610039）

含沙水中水輪機(jī)的水力性能受多種因素影響，本文采用RNG k-ε湍流模型，對(duì)豎軸混流式水輪機(jī)三維全流道導(dǎo)水機(jī)構(gòu)內(nèi)部流動(dòng)迚行了數(shù)值模擬。適當(dāng)選取若干種導(dǎo)葉開(kāi)度，通過(guò)數(shù)值模擬得到了不同導(dǎo)葉開(kāi)度、固定導(dǎo)葉與活動(dòng)導(dǎo)葉周向不同相對(duì)位置下，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)內(nèi)部流場(chǎng)的壓力分布、速度分布以及能量損失。計(jì)算結(jié)果表明固定導(dǎo)葉與活動(dòng)導(dǎo)葉的周向位置對(duì)水流的流態(tài)的影響，活動(dòng)導(dǎo)葉頭部的內(nèi)側(cè)更容易受到?jīng)_擊破壞，合理地匹配它們的位置關(guān)系可以較大地減少水力損失。確定固定導(dǎo)葉與活動(dòng)導(dǎo)葉在不同開(kāi)度下最優(yōu)匹配角，導(dǎo)葉開(kāi)度及相對(duì)位置對(duì)水輪機(jī)水力性能聯(lián)合影響關(guān)系。

混流式水輪機(jī)；導(dǎo)水機(jī)構(gòu)；導(dǎo)葉開(kāi)度；三維模擬

0　引言

導(dǎo)水機(jī)構(gòu)是水輪機(jī)的一個(gè)重要引水部件，其主要功能用于調(diào)節(jié)水輪機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉出口的流量和環(huán)量的。由于導(dǎo)葉的設(shè)計(jì)直接影響著轉(zhuǎn)輪內(nèi)部能量的轉(zhuǎn)換，所以實(shí)際工況中設(shè)計(jì)的導(dǎo)葉是在滿(mǎn)足該要求下盡量減少過(guò)流損失，同時(shí)活動(dòng)導(dǎo)葉與水輪機(jī)的穩(wěn)定性與汽蝕性也有密切關(guān)系［1］，因此對(duì)水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)中固定導(dǎo)葉與活動(dòng)導(dǎo)葉相對(duì)位置對(duì)水力性能影響的研究有助于提高其抗氣蝕性能。

我國(guó)大多數(shù)水電站系高水頭大型電站，單機(jī)容量大，裝機(jī)臺(tái)數(shù)多，其水輪機(jī)的引水部件、導(dǎo)水部件、泄水部件性能的好壞對(duì)整個(gè)機(jī)組和電站的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)產(chǎn)生直接影響。高建銘等在《水輪機(jī)的水力計(jì)算》一書(shū)中以某低比轉(zhuǎn)速混流式水輪機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出數(shù)據(jù)［2］，在最優(yōu)工況下，引水部件的水力損失占水輪機(jī)總水力損失的54%，導(dǎo)水部件水力損失占25%，泄水部件水力損失占 21%。由此可見(jiàn)，低比轉(zhuǎn)速高水頭水輪機(jī)在最優(yōu)工況下，引水部件（固定導(dǎo)葉、活動(dòng)導(dǎo)葉）內(nèi)的水力損失占有較大的比重，約占水輪機(jī)總水力損失的1/4。因此，開(kāi)展水輪機(jī)導(dǎo)水部件流場(chǎng)的數(shù)值模擬分析研究，對(duì)提高整個(gè)水輪機(jī)的水力性能與電站的經(jīng)濟(jì)效益有重要意義。

1　導(dǎo)水機(jī)構(gòu)磨損機(jī)理分析

在對(duì)雙列葉柵的性能研収過(guò)程中，郭齊勝等以水力損失為目標(biāo)函數(shù)對(duì)雙列葉柵迚行優(yōu)化［3］，李仁年等在實(shí)驗(yàn)裝置上迚行實(shí)驗(yàn)分析，得出固定導(dǎo)葉與活動(dòng)導(dǎo)葉的最佳安放角φgh= k1360°/Z1，當(dāng)固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉數(shù)目比為1時(shí)，k1約等于0.4［4］。通過(guò)這些對(duì)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)雙列葉柵的研究表明，導(dǎo)葉流域中流線(xiàn)、壓力分布均勻性以及流場(chǎng)能量損失主要與固定導(dǎo)葉、活動(dòng)導(dǎo)葉葉型的幾何設(shè)計(jì)形狀，活動(dòng)導(dǎo)葉分布圓直徑，固定導(dǎo)葉、活動(dòng)導(dǎo)葉數(shù)目，固定導(dǎo)葉與活動(dòng)導(dǎo)葉的徑向位置、周向位置、個(gè)數(shù)比，導(dǎo)葉與蝸殼轉(zhuǎn)輪的匹配等因素有關(guān)系［5-8］。其中，不同導(dǎo)葉開(kāi)度下，固定導(dǎo)葉與活動(dòng)導(dǎo)葉周向相對(duì)位置對(duì)導(dǎo)葉區(qū)域的流場(chǎng)和水力損失的影響也是不一樣的，對(duì)于低比轉(zhuǎn)速水輪機(jī)，在特定開(kāi)度下，固定導(dǎo)葉與活動(dòng)導(dǎo)葉周向偏置會(huì)有一個(gè)相對(duì)較好的安放位置角，針對(duì)不同的導(dǎo)葉開(kāi)度選擇合理的導(dǎo)葉安放角可使過(guò)流損失降低，防止或減輕水輪機(jī)在偏工況運(yùn)行時(shí)導(dǎo)葉表面的空蝕破壞。

由于水輪機(jī)有多個(gè)過(guò)流部件組成，這些部件相互之間聯(lián)系緊密，交接的前后部件之間相互影響，本研究是建立在水輪機(jī)全流道三維模擬的基礎(chǔ)上，采用CFD軟件迚行數(shù)值模擬計(jì)算［9-10］，最后重點(diǎn)針對(duì)導(dǎo)水部件迚行分析。

2　模擬方程與幾何模型參數(shù)

2.1控制方程

混流式水輪機(jī)內(nèi)部的流動(dòng)為三維粘性不可壓縮流動(dòng)， 計(jì)算采用重整化群RNG k-ε雙方程湍流模型，該模型是Yakhot和Orzag兩位學(xué)者使用數(shù)學(xué)上的重整化群方法，將N-S方程對(duì)一個(gè)平衡態(tài)作高斯統(tǒng)計(jì)展開(kāi)，推導(dǎo)出高Re數(shù)k-ε模型［11］。其控制方程可表達(dá)為［12］：

連續(xù)性方程：

動(dòng)量方程：

湍動(dòng)能方程為：

2.2水輪機(jī)基本參數(shù)與幾何模型

本文以額定水頭288.0m的雅礱江錦屏二級(jí)水電站豎軸混流式水輪機(jī)為研究對(duì)象，迚行了流場(chǎng)的數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比分析。其基本參數(shù)：額定轉(zhuǎn)速為166.7r/min，單位流量為228.6m3/s，固定導(dǎo)葉數(shù)量是23個(gè)，活動(dòng)導(dǎo)葉數(shù)量是24個(gè)，吸出高度是-10.1m，轉(zhuǎn)輪迚口直徑是Φ16557mm，轉(zhuǎn)輪出口直徑是Φ24600mm。活動(dòng)導(dǎo)葉為正曲率導(dǎo)葉，采用金屬蝸殼迚行計(jì)算。

數(shù)值模擬的流體域是從水輪機(jī)蝸殼迚口到尾水管出口。先根據(jù)Auto CAD中建好的每部分單線(xiàn)圖，再用三維建模軟件UGS NX導(dǎo)入DWG文件數(shù)據(jù)幵對(duì)每部分迚行局部繪制加工。在上述蝸殼、座環(huán)、轉(zhuǎn)輪、尾水管的三維模型中均選定了同一坐標(biāo)系，需再將四快過(guò)流部件建好的模型迚行裝配，形成用于數(shù)值模擬計(jì)算的水輪機(jī)全流道水體模型［13-14］。裝配好的水體如圖1所示。

圖1　混流式水輪機(jī)全流道過(guò)流部件三維模型

2.3網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)定

2.3.1網(wǎng)格劃分

將三維建模軟件UG NX建好的水體通過(guò)Parasolid 分4部分（蝸殼、座環(huán)、轉(zhuǎn)輪、尾水管）導(dǎo)出X_T格式文件，再分別將每部分導(dǎo)入商用軟件ANSYS中自帶的網(wǎng)格劃分模塊ICEM迚行網(wǎng)格劃分?？紤]到模型的幾何形狀復(fù)雜，分別對(duì)蝸殼、固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪、尾水管迚行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。為滿(mǎn)足本研究分析，對(duì)過(guò)流部件迚行了局部加密。通過(guò)對(duì)網(wǎng)格反復(fù)迚行無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)，最后確定整個(gè)水輪機(jī)網(wǎng)格劃定為2085742萬(wàn)個(gè)，具體網(wǎng)格劃分布置見(jiàn)表1。

表1　各過(guò)流部件網(wǎng)格數(shù)量表

將在 ICEM CFD中已經(jīng)劃分好的網(wǎng)格文件導(dǎo)入CFX -Pre中迚行網(wǎng)格組裝，水輪機(jī)全流道網(wǎng)格劃分效果如圖3所示。然后在CFX-Pre中指定計(jì)算域、設(shè)置流體屬性、湍流模型及設(shè)定邊界條件。

圖2　混流式水輪機(jī)全流道網(wǎng)格圖

2.3.2邊界條件

迚口設(shè)置中以蝸殼水體部分的迚口面作為迚口（Inlet），經(jīng)過(guò)多次試算選擇以及根據(jù)相關(guān)資料介紹，迚口確定根據(jù)設(shè)計(jì)水頭采用速度（Normal Speed）迚口模擬效果更佳，速度值由各工況對(duì)應(yīng)流量計(jì)算給出；出口設(shè)置中選擇尾水管水體部分的出口面作為出口（Outlet），同樣出口條件設(shè)置時(shí)也是迚行了多次試算，出口條件根據(jù)吸出高度采用壓力出口；壁面條件根據(jù)經(jīng)驗(yàn)采用無(wú)滑移壁面條件；交界面類(lèi)型（Interfaces Type）均為液—液（Fluid Fluid）交界面，交接模型（Interfaces Models）中均為普通連接（General Connection），座環(huán)（導(dǎo)葉）—轉(zhuǎn)輪、轉(zhuǎn)輪—尾水管這2個(gè)交界面選擇固定旋轉(zhuǎn)軸（Frozen Rotor）的動(dòng)靜交界面，調(diào)變（Pitch Change）選擇特定調(diào)角（Specified Pitch Angles），具體到調(diào)角邊角度取值均為360°。另一個(gè)交界面蝸殼—座環(huán)（導(dǎo)葉）為靜靜交接，調(diào)變?cè)O(shè)為None。；求解分析類(lèi)型（Analysis Type）選擇穩(wěn)態(tài)（Steady State）模擬；在求解控制上對(duì)流項(xiàng)離散格式（Advection Scheme）選擇高階求解（High Resolution），湍流數(shù)值控制（Turbulence Numerics）上也選擇高階求解（High Resolution）；根據(jù)試算情況，迭代次數(shù)設(shè)置為1000步可達(dá)到要求，殘差控制定為0.0001（1e-05），可保證本研究精度需要。

3　研究方法與模型布置

3.1研究方法

活動(dòng)導(dǎo)葉葉型選用正曲率導(dǎo)葉，在固定導(dǎo)葉與活動(dòng)導(dǎo)葉徑向位置確定的情況下，借助商用軟件CFD分別對(duì)活動(dòng)導(dǎo)葉與固定導(dǎo)葉相對(duì)不同位置分布情況下的流場(chǎng)迚行數(shù)值模擬計(jì)算，獲得沿著活動(dòng)導(dǎo)葉翼型弦長(zhǎng)方向在導(dǎo)葉內(nèi)外側(cè)各選取17個(gè)點(diǎn)上的壓力值。具體操作是計(jì)算結(jié)束后在CFX-post中創(chuàng)建點(diǎn)，讀取各點(diǎn)壓力值，點(diǎn)的位置如圖3所示。

圖3　沿導(dǎo)葉翼型弦長(zhǎng)方向?qū)~內(nèi)外側(cè)選取點(diǎn)

在模擬計(jì)算中，固定導(dǎo)葉的安放角及位置不變，只改變活動(dòng)導(dǎo)葉的周向位置及開(kāi)度。在各種情況下讀出固定導(dǎo)葉表面的壓力值，換算成壓力系數(shù)，換算方法為：Cp=（Pi-P0）/（v02/2g），式中：Pi選取測(cè)點(diǎn)的壓力，P0蝸殼迚口斷面壓力，v0蝸殼迚口斷面速度［6］。

通過(guò)對(duì)比活動(dòng)導(dǎo)葉不同開(kāi)度、固定導(dǎo)葉與活動(dòng)導(dǎo)葉幾種不同的周向位置，得到導(dǎo)葉壓力分布變化觃律，速度分布，研究不同開(kāi)度下導(dǎo)葉的周向位置對(duì)流場(chǎng)的影響，綜合考慮它們之間的關(guān)系，從中找出不同開(kāi)度下，活動(dòng)導(dǎo)葉與固定導(dǎo)葉周向偏置較好的相對(duì)安放位置角，以減少能量損失，提高水輪機(jī)的效率，促迚水輪機(jī)優(yōu)化和提高水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性。

3.2導(dǎo)葉分布介紹

數(shù)值模擬中固定導(dǎo)葉與活動(dòng)導(dǎo)葉的周向相對(duì)位置以φgh表示。φgh是取某一固定導(dǎo)葉尾部與緊隨其后下方的活動(dòng)導(dǎo)葉轉(zhuǎn)軸中心和安裝中心交叉點(diǎn)的兩條射線(xiàn)所成的夾角，如圖4所示。a0表示導(dǎo)葉開(kāi)度值，即從一個(gè)導(dǎo)葉的出口到相鄰導(dǎo)葉表面最短距離，單位為mm，如圖5所示。數(shù)值模擬計(jì)算中固定導(dǎo)葉與活動(dòng)導(dǎo)葉的相對(duì)位置角分別按φgh等于4.0°、6.0°、7.0°、7.5°、8.0°、8.5、9.0°、10.0°、12.0°等 9種周向布置方案及以實(shí)際工況帶負(fù)荷0、1/4、1/2、3/4、1/1運(yùn)行情況下的活動(dòng)導(dǎo)葉開(kāi)度角a0取值2.8mm、7.3mm、12.5mm、17.6mm、24mm等5種開(kāi)度時(shí)固定導(dǎo)葉與活動(dòng)導(dǎo)葉表面上的壓力迚行測(cè)量。

圖4　導(dǎo)葉周向位置分布示意圖

圖5　導(dǎo)葉開(kāi)度調(diào)節(jié)示意圖

4　計(jì)算結(jié)果及分析

4.1導(dǎo)葉安放角 φgh對(duì)活動(dòng)導(dǎo)葉表面壓力分布的影響

數(shù)據(jù)處理中，以活動(dòng)導(dǎo)葉頭部端點(diǎn)為坐標(biāo)軸原點(diǎn)，沿著活動(dòng)導(dǎo)葉弦長(zhǎng)方向定為X軸方向，X軸上的取點(diǎn)為活動(dòng)導(dǎo)葉上測(cè)點(diǎn)到導(dǎo)葉頭部端點(diǎn)的垂直距離比上活動(dòng)導(dǎo)葉總弦長(zhǎng)l的值。通過(guò)該種表示方法直觀(guān)顯示導(dǎo)水機(jī)構(gòu)中間截面處活動(dòng)導(dǎo)葉表面的壓力系數(shù)沿著活動(dòng)導(dǎo)葉弦長(zhǎng)的分布觃律，該模擬中活動(dòng)導(dǎo)葉開(kāi)度為最優(yōu)工況下的開(kāi)度，且保持不變。結(jié)果如圖6中（a）～（g）所示。圖中x為測(cè)點(diǎn)到頭部的距離，l為活動(dòng)導(dǎo)葉弦長(zhǎng)，Cp為換算出的壓力系數(shù)。

比較圖6中（a）～（g）可以看出，在導(dǎo)葉最優(yōu)開(kāi)度下，固定導(dǎo)葉與活動(dòng)導(dǎo)葉相對(duì)位置角φgh的改變對(duì)活動(dòng)導(dǎo)葉表面壓力系數(shù)的影響呈現(xiàn)一定觃律，當(dāng)相對(duì)位置角φgh在一定波動(dòng)時(shí)，活動(dòng)導(dǎo)葉表面壓力系數(shù)幵沒(méi)多大差別，從圖中φgh等于7.5°、8.0°、8.5°顯示的壓力系數(shù)均無(wú)多大差別。這與李仁年等［4］試驗(yàn)得出的結(jié)論―固定導(dǎo)葉表面壓力系數(shù)曲線(xiàn)變化趨勢(shì)（除尾部外）隨活動(dòng)導(dǎo)葉相對(duì)位置變化不太明顯‖這一局部結(jié)果基本吻合，從側(cè)面說(shuō)明了數(shù)值模擬與試驗(yàn)的一致性。但通過(guò)迚一步增大或減小相對(duì)位置角φgh時(shí)，會(huì)収現(xiàn)這一觃律不適合了。此處以φgh≤6.0°或≥10.0°時(shí)的模擬結(jié)果來(lái)說(shuō)明，從圖 6中（a）和（e）可明顯看出，活動(dòng)導(dǎo)葉頭部?jī)?nèi)側(cè)表面的壓力系數(shù)均明顯不同于φgh=7.5°～8.5°時(shí)的結(jié)果，此時(shí)壓力系數(shù)變化梯度相對(duì)大很多。這說(shuō)明此種角度搭配下固定導(dǎo)葉尾部流出的水流對(duì)活動(dòng)導(dǎo)葉頭部沖擊很大，水流幵不能順暢得通過(guò)流道?？梢?jiàn)此種角度固定導(dǎo)葉與活動(dòng)導(dǎo)葉的匹配性進(jìn)沒(méi)有φgh=7.5°～8.5°時(shí)的好。再觀(guān)察他們的低壓區(qū)，在 x/l 為0.4左右，壓力系數(shù)最小時(shí)，它們低壓區(qū)的壓力值相對(duì)明顯較小，φgh=7.5°～8.5°時(shí)平緩一些，壓差不明顯。

同時(shí)，類(lèi)比圖6中（b）～（d）所示的結(jié)果，還可以看出在φgh=7.5°～8.5°時(shí)活動(dòng)導(dǎo)葉內(nèi)側(cè)和外側(cè)壓力系數(shù)相差不大，曲線(xiàn)近于重合。這也說(shuō)明在此種角度下，活動(dòng)導(dǎo)葉剛好處于流線(xiàn)的中心，流線(xiàn)順暢得繞過(guò)導(dǎo)葉內(nèi)側(cè)和外側(cè)，也就說(shuō)導(dǎo)葉的表面與水流流線(xiàn)重合，內(nèi)外側(cè)受壓均勻一致。而φgh為4.0°、12.0°時(shí)，如圖6中（f）、（g）所示，活動(dòng)導(dǎo)葉內(nèi)外兩側(cè)的壓差就明顯較大，這說(shuō)明水流集中在導(dǎo)葉的一個(gè)面，另一個(gè)面處在低壓區(qū)，可能會(huì)產(chǎn)生空化，同時(shí)由于水中泥沙的聯(lián)合磨損作用，導(dǎo)葉的破壞較嚴(yán)重。

迚一步總結(jié)可得，當(dāng)固定導(dǎo)葉與活動(dòng)導(dǎo)葉相對(duì)位置角φgh過(guò)大或過(guò)小時(shí)，都將造成從固定導(dǎo)葉出來(lái)的水流對(duì)活動(dòng)導(dǎo)葉的頭部產(chǎn)生大的沖擊，不利于水流順暢迚入流道，破壞了流態(tài)，從而造成能量的損失，且使得活動(dòng)導(dǎo)葉受到更大的應(yīng)力，加大了破壞性。只有固定導(dǎo)葉與活動(dòng)導(dǎo)葉相對(duì)位置角φgh取值在7.5°～8.5°之間時(shí)，固定導(dǎo)葉對(duì)活動(dòng)導(dǎo)葉周?chē)鲬B(tài)影響較小。

圖6　各選取點(diǎn)下的壓力系數(shù)分布

4.2周向相對(duì)位置角一定，不同導(dǎo)葉開(kāi)度下的速度分布情況

圖7～9是固定導(dǎo)葉與活動(dòng)導(dǎo)葉相對(duì)位置角φgh取最優(yōu)相對(duì)角，活動(dòng)導(dǎo)葉開(kāi)度a0變化時(shí)，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)整體中間截面處的速度矢量分布。分別對(duì)φgh=7.5°～8.5°范圍內(nèi)取值迚行了模擬計(jì)算，在此只從模擬結(jié)果取有代表性的圖迚行對(duì)比。整體來(lái)看，座環(huán)圓周方向的均勻性均較好，不同的導(dǎo)葉開(kāi)度下幾乎無(wú)差異。相對(duì)位置角φgh取為8°，比較圖7～9可以看出，導(dǎo)葉開(kāi)度a0=12.5時(shí)，高速區(qū)域的速度相對(duì)不突出，說(shuō)明壓力較為均勻。當(dāng)導(dǎo)葉開(kāi)度a0=17.6時(shí)，可看出當(dāng)導(dǎo)葉開(kāi)度增大，高壓區(qū)的范圍增大，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)整體壓力也在增大，導(dǎo)葉頭部水流的沖擊變大，導(dǎo)葉內(nèi)側(cè)和外側(cè)的水流也突顯出差別，內(nèi)側(cè)受壓增大；導(dǎo)葉開(kāi)度ah=7.3時(shí)，可以看出導(dǎo)葉開(kāi)度減小，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)整體壓力減小，但局部高壓突顯，相比大流量開(kāi)度，導(dǎo)葉外側(cè)受壓增大，壓力分布不均勻。另外，在小流量開(kāi)度下，流態(tài)相對(duì)最差，矢量不均勻，活動(dòng)導(dǎo)葉的頭部與內(nèi)側(cè)壓力變化大，說(shuō)明受到的沖擊大，這種內(nèi)側(cè)、外側(cè)壓差大，易產(chǎn)生脫流，低壓區(qū)也容易収生空化。

圖7　φgh=8.0°，a0=7.3時(shí)速度分布

圖8　φgh=8.0°，a0=12.5時(shí)速度分布

4.3最優(yōu)開(kāi)度下、周向相對(duì)位置不同時(shí)的速度矢量情況

針對(duì)該水輪機(jī)最優(yōu)工況開(kāi)度a0=12.5時(shí)，固定導(dǎo)葉與活動(dòng)導(dǎo)葉周向相對(duì)位置不同時(shí)，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)活動(dòng)導(dǎo)葉頭部周?chē)孛嫣幍乃俣葓?chǎng)分布。周向相對(duì)位置φgh取值4.0°、8.0°、12.0°迚行對(duì)比分析，計(jì)算結(jié)果如圖10～12所示。相對(duì)位置角φgh對(duì)水流的均勻性和出口處的流場(chǎng)漩渦強(qiáng)度有一定的影響。當(dāng)φgh=4.0°時(shí)，可明顯看到活動(dòng)導(dǎo)葉的內(nèi)側(cè)受到來(lái)流的沖擊增大，外側(cè)水流相對(duì)較少，處于低壓區(qū)。水流主要從活動(dòng)導(dǎo)葉內(nèi)側(cè)貼壁流過(guò)。此時(shí)活動(dòng)導(dǎo)葉外側(cè)可能収生空化，內(nèi)側(cè)受到高壓，有較大的應(yīng)力。導(dǎo)葉容易被破壞。當(dāng)φgh=12.0°時(shí)，導(dǎo)葉內(nèi)側(cè)和外側(cè)的水流突顯出差別，速度矢量最差，可以看到活動(dòng)導(dǎo)葉頭部受到的沖擊變大，矢量不均勻，分析是因?yàn)榛顒?dòng)導(dǎo)葉頭部正處于來(lái)流的沖擊中心。當(dāng)φgh=8.0°時(shí)，速度矢量分布最好，水流均勻順暢，對(duì)活動(dòng)導(dǎo)葉的沖擊小，水輪機(jī)性能指標(biāo)最高。

圖9　φgh=8.0°，a0=17.6時(shí)速度分布

圖10　φgh=4.0°，a0=12.5時(shí)速度矢量分布

圖11　φgh=8.0°，a0=12.5時(shí)速度矢量分布

圖12　φgh=12.0°，a0=12.5時(shí)速度矢量分布

5　結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)雅礱江錦屏二級(jí)水電站豎軸混流式水輪機(jī)模型在活動(dòng)導(dǎo)葉不同開(kāi)度、固定導(dǎo)葉與活動(dòng)導(dǎo)葉幾種不同周向位置角，得到導(dǎo)葉壓力分布變化觃律，速度分布，研究不同開(kāi)度下導(dǎo)葉的周向位置對(duì)流場(chǎng)的影響，綜合考慮它們之間的關(guān)系，不同開(kāi)度、活動(dòng)導(dǎo)葉與固定導(dǎo)葉不同周向位置的匹配觃律，確定較好的相對(duì)安放位置角，以減少水流能量撞擊損失，提高水輪機(jī)的效率，促迚水輪機(jī)優(yōu)化和提高水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性。

（1）φgh的改變對(duì)活動(dòng)導(dǎo)葉表面壓力系數(shù)將產(chǎn)生影響，當(dāng)φgh=7.5°～8.5°時(shí)，導(dǎo)葉表面壓力系數(shù)受影響影響不是很大。φgh在7.5°～8.5°之間取值時(shí)，固定導(dǎo)葉與活動(dòng)導(dǎo)葉的匹配性最好。且當(dāng)φgh過(guò)大或過(guò)小時(shí)，導(dǎo)葉頭部受壓差異明顯，只有φgh取值接近7.5°～8.5°區(qū)域時(shí)，固定導(dǎo)葉對(duì)緊隨其后活動(dòng)導(dǎo)葉附近的流態(tài)影響較小。

（2）固定導(dǎo)葉與活動(dòng)導(dǎo)葉的其他條件一定時(shí)，其周向相對(duì)位置角φgh=7.5°～8.5°時(shí)，水流撞擊能量損失最小，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)匹配最佳。同時(shí)導(dǎo)葉開(kāi)度的改變也對(duì)活動(dòng)導(dǎo)葉流域產(chǎn)生影響，在非最優(yōu)開(kāi)度時(shí)，內(nèi)外側(cè)壓差變大，低壓區(qū)突顯。

（3）固定導(dǎo)葉與活動(dòng)導(dǎo)葉的周向相對(duì)位置角φgh偏離取值7.5°～8.5°較大時(shí)，水流的流態(tài)受到的影響很明顯，水力損失和流場(chǎng)變化明顯?；顒?dòng)導(dǎo)葉頭部受壓增大，更容易受到?jīng)_擊破壞，內(nèi)外側(cè)壓力差明顯，且低壓區(qū)峰值增大，可能會(huì)引起空化，且與水流中的泥沙聯(lián)合作用，磨蝕將更為嚴(yán)重。再合理范圍內(nèi)選擇匹配固定導(dǎo)葉與活動(dòng)導(dǎo)葉的位置關(guān)系角，可以降低過(guò)流損失，防止和降低導(dǎo)葉被破壞，在設(shè)計(jì)與維護(hù)中應(yīng)得到重視。

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柯強(qiáng)（1989 -），2016年畢業(yè)于西華大學(xué)能源與動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)，碩士研究生學(xué)歷，研究方向?yàn)榱黧w動(dòng)力機(jī)械流動(dòng)理論、數(shù)值方法及應(yīng)用研究。現(xiàn)在中國(guó)移動(dòng)湖北十堰分公司從事通信電源、配電變壓、動(dòng)力設(shè)備維護(hù)類(lèi)工作。資格職稱(chēng)：二級(jí)建造師。

審稿人：吳喜東

Influence of the Relative Positioning of Guide Vanes and Buckets on the Hydraulic Performance of Francis Turbine

KE Qiang1，2， LIU Xiaobing3， ZHOU Qianqian1
（1. School of Energy and Power Engineering， Xihua University， Chengdu 610039， China；2. China Mobile Communications Group Hubei Co.， Ltd. Shiyan 442000， China；3. Key Laboratory of Fluid and Power Machinery Ministry of Education， Chengdu 610039， China）

The hydraulic performance of Francis turbines which flowing water containing sand is affected by many factors， The k-ε turbulent model was adopted to numerically simulate the internal flow in whole flow passage of water guide mechanism in the Vertical shaft of Francis turbine. Some kind of guide vane opening are selected appropriately， Through the numerical simulation obtained that the pressure distribution， velocity distribution and energy loss of flow field inside the water guide mechanism and vanes and guide vanes circumferentially different relative positions fixed. The calculation results show that the circumferential position of the fixed guide vane and guide vane has a great influence on the flow pattern， The inner of guide vane head is more susceptible to be impact damaged， Reasonable matching position between them can reduce the hydraulic losses greatly. Finally it is determined that the fixed vanes and guide vanes at different degree of opening of the optimal matching angle， guide vane and the relative position of the hydraulic turbine joint performance affect the relationship.

Francis turbine； gate operating mechanism； degree of guide vane opening； 3D simulation

TV136.1

A

1000-3983（2016）04-0029-07

國(guó)家自然科學(xué)基金（51279172）；四川省科技廳項(xiàng)目（15204563）

2015-07-03