发电设备流体动态数值解析高新技术的开发应用

哈尔滨电机厂有限责任公司 刘清勇

0 前言

通常认为，水轮机蜗壳向固定导叶和活动导叶提供的水流应当是一样的，然而事实并非如此。由于蜗壳中的水流转弯产生二次流，从而导致圆周方向和高度方向流态的明显不同。进而引起不等的水力损失。蜗壳中水流转弯处的水力损失主要是由于固定导叶的尾流引起的，特别是在蜗壳转角120。附近的水力损失较大。为了减少这种损失，提高水轮机效率，就必须掌握流道内部流态，明确损失发生机理，比较准确地找出发生水力损失的具体部位。通过数值计算进行流体的动态解析最早出现于1931年，直到80年代随着计算机技术、图形处理和数值算法的迅速发展才被开发成为工程应用软件，并在系统工程中得到集成应用和实现了商业化。

1 开发历程

虽然流体动态解析技术的发展已有70多年的历史，但是借助于计算机进行这种解析却是最近20多年的开发结果（表1）。

2 基本方法

2.1 一维二维解析

表1 流态解析技术开发历程

采用微机进行流体动态解析的一维方法是在80年代开发和应用的。它以水力损失模型为基础，对水轮机整体进行一维、后来是二维解析，提出转轮轴的入口和出口设计。由于对流场的假定不能够满足水流的运动方程，没有考虑转轮本身的转动和转轮中速度环量分布对流场影响，与实际情况有较大的偏离，致使转轮试验结果与设计预期值的偏差较大。

2.2 准三维有势解析

大约在1988年，出现了准三维有势解析方法，它不仅考虑了连续方程和能量方程，还考虑了水流的运动方程，可使计算出的轴面流场更加符合实际情况，从而可提高转轮设计计算的正确性。但是这种方法仅限于转轮，丽不包括其它部件在内的水轮机整体。这种方法可在综合二维解析情况下得到转轮叶片人口和出口的平均曲面设计。

2 .3 二维欧拉解析

采用欧拉方程法的三维解析大约出现在90年代，它考虑了大规模涡流，能在流线上以速度分布为蒸准来实现转轮叶片翼型设计的最优化。

2.4 三维紊流解析

能够考虑到粘性来预测转轮水力损失的三维紊流解析法大约在1995年出现，起初只限于转轮，很快又扩大到导叶。它使转轮实现了考虑了流态粘性的三维设计。粘性较大的部位在流道内壁表面附近，对此可通过划分更加细密的网格来提高解析精确度。

2.5 非正常流态解析

考虑到非正常流态引起的水力损失的三维紊流解析方法的开发和应用是最近几年的事。水轮机中影响最大的非正常流态是导叶和转轮叶片的叶栅干涉引起的，特别是导叶的粘性后流和转轮叶片水力损失发生机理的关系，仍在深入探讨。这种解析方法已考虑到叶栅流道的干涉来预测水轮机的整体性能，同时它又考虑到上下游水流而采用新概念的优化设计方法。

3 解析流程

为了实现高效率水轮机设计，首先应进行下述性能预测并需经过新型式大比例低转速试验装置的验证。 采用流态解析的水轮机设计和性能预测流程如下：(1)水头，流量，转速；(2)转轮入口和出口速度三角形(输入基本数据)；(3)一维损失解析；(4)第一次性能预测[不满意就返回项(2)，重新进行]；(5)固定导叶、活动导叶、转轮叶片剖面图设计(输入基本数据)；(6)双重叶栅、转轮叶片、边界层计算、欧拉流体动态解析；(7)叶栅整体流态粘性；(8)第二次性能预测[输入蜗壳、尾水管损失计算，不满意就返回项(5)，重新进行]；(9)水轮机整体流态粘性解析；(10)第三次性能预测[不满意就返回项(5)，重新进行]；(11)叶栅干扰解析；(12)结构、振动评价；(13)制成模型图。上述解析结果因网格形状、紊流模型的选择方法和给定的边界条件的不同而异，要求对解析结果加以验证，对解析精度也需加以确认。网格划分的细密化有助于提高解析精度。同时采用先进的非接触式(扫描)测量手段，具有较高的时问和空间分辨率，测量精度很高。

4 主要优点

采用流体动态解析软件新技术进行水轮机的设计和性能预测的主要优点是效率高、精度高和开发周期短。它能准确地找出发生水力损失的具体部位及其产生机理，从而可采取针对性措施来减少损失和提高效率，通常可提高1个百分点以上。由于网格划分节点数目增加了千倍以上，使解析精度电大为提高。以前的方法是通过模型试验测量内部流态，找出损失发生部位，然后进行流道、叶栅改进。

与传统的模型试验和毕托管测流法相比，由于实现了数据可视化和图形的后处理，便能更准确、更细致地描绘出流体的速度、压力等物理量的分布情况，因而能大幅度缩短水轮机的开发时间，更准确地预测其性能，更完善地实现优化设计，甚至把效率提高到能达到的最高值。进一步提高水轮机效率的方法是：(1)通过三维解析、低速旋转摸型试验，掌握流道内部流态，明确损失发生的机理；(2)通过CAE系统、优化设计工具，进行最低损失的叶栅、流道设计；(3)根据摸型性能试验、整体流态解析、低速旋转试验，验证整体性能。

5 应用效果

5.1 发电机

等效风路法是将直流电器回路中的基尔霍夫法则套用于通风冷却风路的方法，它是目前最广泛应用的，可以掌握风路内的流态，提高冷却性能的精度。然而该法是以真机或实验等经验数据为基础，其精度不能超出经验范围，要想进一步提高精度，只能采用流态解析法。流体动态数值解析法以描述质量守恒、动量守恒、能量守恒的基本方程为基础，能弥补单凭经验进行设计时的不足，是优化设计的有效工具，也是网络法的补充手段，也可独立作为一种工具来计算流体传热、温度甚至通风损耗，它的解析精度较高。

采用流体动态数值解析法进行通风冷却设计的世界单机容量最大的三峡（右岸）700MW机全空冷巨型水轮发电机，彻底打破了外商的价格垄断，大幅度降低了制造和维护成本。机组运行实践证明：这种产品结构简单，风量足够，风量分配合理，通风损耗较低，温升分布均匀，安装周期缩短，调试方便，运行安全可靠，检修维护容易，运行成本较低，很受用户和市场欢迎。

5.2 水轮机

这种先进技术能把水轮机的性能提高到它所能达到的最高值。最近在开发水利条件非常苛刻的贵州乌江构皮滩水电站机组时，所研制的水轮机转轮在国际闻名的、作为中立方的瑞士落桑水力机械研究所进行模型验收试验的结果证明，最高效率竟达95.16%，居世界领先水平。

6 结论

自主创新开发应用的流体动态数值解析高新技术，在大电机通风冷却、水轮机、风轮机性能提高方面发挥重大作用。程序本身也在提高，需要我们不断创新开发、扩大应用。