混流式水轮机内部流动数值模拟

摘要：为探究混流式水轮机内流场变化规律，对某电站水轮机全流道进行数值模拟研究。对流场求解三维时均NS方程和RNGkε湍流模型，得到三种工况下水轮机流道内水流的压力及迹线变化规律。结果表明，在设计工况下，各水力部件能较好配合，水力性能良好；在偏离设计工况运行时，各水力部件水力性能有不同程度的下降，各部件之间的配合欠佳，其结构设计有待改进。研究结果对水电站的实际运行有一定参考价值。

关键词：混流式水轮机；内部流动；数值模拟；全流道；流场

1 概述

水轮机作为水电站的主要动力设备，其性能好坏直接影响水电站的安全、高效运行 [1]。近年来随着水轮机组的容量及比转速不断加大，其空化和振动问题日渐凸显，很多学者对此类问题进行了研究[25]。本文以某实际电站混流式水轮机为例，利用CFD技术模拟不同工况下流道内水流的压力及迹线分布，计算结果可为电站实际运行提供参考。

1.1 物理模型及网格

利用UG软件建立水轮机全流道物理模型。转轮型号为HLF497LJ625.7，转轮标称直径为6257mm，叶片数为13片，设计流量296m3/s，设计水头110m，最大水头141m，最小水头68m，额定出力561MW，额定转速142.9r/min，导叶高度为1477mm，固定导叶和活动导叶数量均为20片。

利用GAMBIT软件进行网格划分，由于模型较复杂，采取分块划分的方式，分别对蜗壳、座环、导叶、转轮、尾水管水体划分网格。采用结构化网格和非结构化网格相结合的方式，并对流动状态变化较大区域的网格进行加密，网格总数98.76万。

1.2 數学模型及计算方法

1.2.1 数学模型

1.2.2边界条件及计算方法

蜗壳进口断面设为速度入口；尾水管出口设为outflow；不同流体域之间的数据交换采用差值的方式，交界面设为interface；用滑移网格模型处理转轮区域与导叶、尾水管区域的耦合问题，上冠、下环和导叶壁面均设为Moving Wall；采用分离式求解器计算；算法采用经典的SIMPLE算法；迎风格式及亚松弛因子均为默认。

2 计算结果分析

根据该电站实际运行情况，分别在设计水头、最大水头和最小水头下选取三个工况点进行模拟计算，各工况参数如表1所示。

表1 工况点参数表

工况点1水头（m）1流量（m3/s）1导叶开度（°）1出力（MW）11110（设计水头）1296124130021141（最大水头）1243.5211813203168（最小水头）1148.161201852.1 导水机构流场分析

图1～图3为三种工况下导水机构压力及水流迹线图，从图中可以看出，三种工况下蜗壳及导叶内水流都能形成一定的速度环量，蜗壳内的流动符合等速度矩分布规律。工况1、2下蜗壳压力分布沿径向均匀降低，过度平稳，固定导叶压力在圆周方向对称性较好，活动导叶从头部到尾部压力均匀降低，没有明显突变。工况3下蜗壳内水流在径向压降不明显，从蜗壳到固定导叶压力变化较大，固定导叶压力在圆周方向对称性差，这可能是由于活动导叶与固定导叶设计配合不好，水流对活动导叶冲击不强引起的。

2.2 转轮流场分析

图4～图6为三种工况下转轮叶片背面的压力云图，从图中可看出工况1下叶片基本没有负压区；工况2下负压范围很广，而且数值较大，负压集中出现在叶片靠近下环区域；工况3下在进水边背面靠近下环处存在零星负压。由此可判断出机组在工况2下运行时发生空蚀的几率较大。

2.3 尾水管流场分析

工况1（图7）下尾水管进口水流圆周方向速度几乎为零，基本没有涡带，水流状态较好；工况2（图8）下尾水管进口水流有一定的圆周速度，在直锥段产生较小涡带，并在发展至尾端过程中逐渐减弱；工况3（图9）下尾水管进口水流圆周速度较大，在直锥段产生较强涡带，并在发展至尾部时没有减弱，在尾水管出口位置还存在有较大旋涡。

3 结论

利用CFD技术对转轮型号为HLF497LJ625.7的水轮机内流场进行数值模拟，得到三种工况下导水机构、转轮叶片及尾水管内的水流变化规律。研究表明，该水轮机在设计水头下运行时，各部件水力性能表现良好；在偏离设计水头运行时，各个部件水力性能表现不一，水流状态不理想，水力部件的结构有待改善，同时，也可通过调整机组的运行范围，达到保护机组的目的。

参考文献：

[1]刘大恺.水轮机（第三版）[M].郑州：黄河水利出版社，2011.

[2]王磊，娄瑜，王照福.混流式模型水轮机空化流动分析与试验研究[J].排灌机械工程学报，2014，（9）：771775.

[3]唐巍，张昌兵，李雷.中低比转速混流式水轮机空化与水力振动分析[J].水电能源科学，2014，（8）：145147，126.

[4]罗丽，李景悦.混流式水轮机内部空化流动数值模拟[J].人民长江，2016，（13）：7983.

[5]刘攀，陈学力，汪泉，李德忠.高水头混流式水轮机的动静干涉与振动问题研究[J].水力发电学报，2016，（03）：9198.

[6]吳玉林，刘树红，钱忠东.水利机械计算流体力学[M].北京：中国水利水电出版社，2007.

作者简介：王攀登（1980），男，汉族，四川成都人，本科，电气工程师，主要从事安全生产管理工作。