土耳其Cermilker电站水轮机尾水管设计方法的研究

赵绍勇

（东方电气集团 东风电机有限公司，四川 乐山 614000）

尾水管是水轮机重要的过流部件，主要的作用[1]是使转轮出口处水流压力下降，造成真空，来收回水流离开转轮时的部分动能和收回转轮高出下游水面的那一段位能。由此可见，其水力性能的优越与否，直接关系到整机的运行效率。因此，要在设计中保证尾水管的高性能，显得尤为重要。必须根据电站的实际情况（如最大流量Qmax、平均流量Qav、水头H等），选择合理的尾水管类型，然后才能建立其模型，并进行流场数值模拟，预估它的性能。因此，本文在土耳其Cermilker电站的混流式水轮机尾水管设计中，选择了合适得参数，建立了光滑的尾水管模型，再进行了数值模拟，设计出了性能良好的尾水管。

1 尾水管类型的选择

通常情况下，水轮机尾水管设计的首要步骤，是进行选型。具体的操作分为两步：（1）结合电站的相关测量参数，确定转轮直径D、转速v、效率η并选择合理的机组型号；（2）根据机组型号，选择与之对应的尾水管类型（如直锥式、弯肘式等）。在土耳其Cermilker电站的尾水管类型选择中，由于机组型号在此之前已经确定为混流式。因此，按照上述方法，应该选择的尾水管的类型为弯曲形[1]，当量锥角计算公式为：

2 尾水管模型的构建

图1 尾水管流线图

图2 尾水管流场模型

尾水管流道模型可以看做是空间中的多个平面按照一定规律排列的桥接体。因此，模型的建立，主要是针对各肘管断面来进行的，即光滑的非规则曲面搭接相邻断面，使之成为一个整体。土耳其Cermilker电站尾水管模型建立的步骤是：（1）根据文献[2-3]的方法，计算各断面尺寸；（2）在空间中的对应位置，绘制平面草图，组成尾水管单线图（如图1所示）；（3）按次序搭接相邻断面，生成尾水管流场模型（如图 2所示）。

3 尾水管流场计算机仿真

3.1 湍流模型的确定

根据电站的水纹参数条件，在数值计算中，湍流模型采用标准kε双方程模型[3]，计算方程式如下：式中，μt为湍流涡粘系数，k为湍流脉动动能，ε为湍流耗散率，Gk

是由于平均速度梯度引起的湍动能k的生成项。

3.2 计算结果分析

图3 进口速度给定

图4 压力分布图

尾水管的水力性能的模拟，首先，要对模型划分网格[4]，即空间离散操作；然后，设置边界条件（对本模型而言，需要设置速度进口和自由出流两个边界条件，进口速度给定如图3所示）；最后，展开数值模拟计算，尾水管的流场数值计算结果如图4～图5所示。

结果分析：

（1）由图4所示，尾水管流场的压强分布状态为：进口至出口由小到大，且变化呈均匀状态，断面压强逐级的变化过程中压差很小，水头损失较小，效率较高。

（2）由图5所示，速度由进口至出口呈由小到大的均匀变化规律，没有回流现象的出现，流态很好。

综上所述，该电站水轮机尾水管性能非常良好，符合设计要求。

4 结论

本文以电站实际测量参数为依据，确定了水轮机转轮的型号，选择了弯肘形尾水管，并计算出了各个断面的参数。然后，根据这些参数建立了尾水管的三维流场模型，并进行了数值仿真模拟。良好的仿真结果验证了设计方案的合理性。但是，本文采用的设计方法，还是主要以理论计算为主，缺乏水力模型试验这一环节，产品性能偏差状态无法了解。因此，该设计方法也存在着一定的局限性。未来的设计过程中，需要结合模型试验的数据进行对比，从而达到完善尾水管设计方案的目的。

［1］程良骏.水轮机[M].北京:机械工业出版社,1981.

［2］王旭,潘峤,等.基于CATIA的土耳其Bagistas电站水轮机尾水管三维造型方法的研究[J].能源与环境,2011(5)：52-53.

［3］王旭,潘峤,等.土耳其Cermilker电站转轮室设计方案的对比研究[J].机电技术,2011(4):127-129.

［4］王福军.计算流体动力学分析[M].北京:清华大学出版社,2004.

［5］Wissink J G.DNS of Separating Low Reynolds Number Flow in a Turbine Cascade with Incomineg Wakes[J].International Journal of Heat and Fluid Flow，2003,24(4):626-635.