中小型混流式水轮机转轮优化改造方法及CFD分析

张慧珍

【摘 要】为了达到提升中小型混流式水轮机组出力和效率的目的。本文在对比了目前3种主要改造方法的特点之后，选择翼型重新设计的方法对某电站的混流式水轮机组进行优化改造。最后，通过CFD分析验证了改造后的机组水力性能。结果显示，重新设计翼型后的转轮，提升了机组的水力特性，水轮机内部流场比较顺畅，压力分布也比较良好，且负压区域较好，具有良好的抗汽蚀性。为后续相关机组的优化改造提供了参考依据。

【关键词】混流式水轮机；转轮；优化改造；CFD分析

中图分类号： F426.63 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2017）23-0036-002

【Abstract】In order to achieve the purpose of improving the output and efficiency of small and medium-sized Francis turbine. In this paper， after comparing the characteristics of the three main transformation methods， the airfoil redesign method is selected to optimize the mixed flow turbine of a power station. Finally， the hydraulic performance of the unit is verified by CFD analysis. The results show that the re-design of the rotor after the airfoil to enhance the hydraulic characteristics of the unit， the turbine flow field is relatively smooth， the pressure distribution is also relatively good， and the negative pressure area is better， with good anti-cavitation. Which provides a reference for the optimization of the related units.

【Key words】Francis turbine；Runner；Optimization；CFD analysis

0 引言

對于中小型混流式水轮发电机组而言，往往在投入使用一段时间之后，会出现出力不足等问题，直接影响电站的经济效益。因此，对电站的机组进行增容改造是非常必要的工作。近年来，我国在上世纪70、80年代投入使用的中小型混流式水轮机，由于年久老化、转轮选型不当等原因，陆续出现出力不足、效率低下等问题。因此，对机组进行增容改造的工作势在必行。所以，研究合理的水轮机优化改造方法，具有举足轻重的意义。

就混流式水轮机的增容改造方法而言，人们做了大量的研究。其中，包括优化尾水管设计、改进活动导叶型线、对蜗壳舌板进行修型等。但是众所周知，转轮是水轮发电机组的最关键部件[1]。而对转轮进行优化改造，也是达到提升机组容量和效率的非常有效的方式。因此，探讨中小型混流式水轮机转轮的优化改造方法，对于提升机组的容量，增大转轮叶片的过流流量，提高机组的发电效率等方面均有重要的意义。综上所述，本文以某混流式水轮机为改造案例，通过分析转轮的改造方法，并进行了CFD分析，从数值计算的角度验证了改造方法的合理性。

1 转轮优化改造方法的选择

本文以某混流式水轮发电机组作为优化设计对象，该机组属于立式机组，转轮型号为HL110。由于该机组目前已经投入使用多年，出力和效率都严重低下，所以需要对转轮进行改造达到提升出力和效率的目的。

从目前主要的转轮优化改造方法来看，主要有[2]：（1）增大转轮叶片的浆叶角度，以达到增大过流面流量的目的，实现出力的提高。虽然从理论上来说，该方法确实能够达到提升出力的目的，但是增大浆叶的角度，会使水轮机的运行条件发生变化，通常情况下会朝远离最优工况的特性曲线偏移。也就是说，虽然局部的流量增大促进了出力和效率的提升，但最优工况的偏离，也会导致水力性能恶化，效率下降等问题，综合看来，改造的效果并不明显；（2）增加转轮直径。该方案对于优化改造而言，是最有效的方案，不仅能够有效提高出力和效率，还能够进一步优化水力特性。但是，由于水轮发电机组的各过流部件都是相互配合的，增大转轮直径，会导致相关过流部件如导叶、蜗壳等尺寸全部发生变化，也就是说，相关的过流部件将全部更换，这样一来会导致造价过高；（3）改变转轮叶片的翼型。重新设计转轮叶片的翼型，并完成转轮的更换，是目前应用比较广的一种方法。由于设计新的翼型，是根据电站的水纹条件来进行的，因此不会导致运行时偏离最优工况。同时，也不用增加转轮的直径，所以其余的过流部件不必更换，经济效益比较好。综上所述，本文在该电站机组优化改造方法的研究中，拟选择改变转轮叶片翼型的优化改造方法。

2 优化改造方法的实施及CFD分析

根据优化改造方案3，该机组所重新设计的叶片翼型及三维实体模型，其中，实体模型划分为13个截面（即13个翼型），具体情况如图1所示。

为了验证优化设计的效果，对改造后的方案进行CFD分析。选择的工况类型为额定工况，数值计算得到的速度压力分布规律，如图2～3所示。

如图2所示，在额定工况条件下，无论是转轮叶片的正面还是背面，其水流速度的分布是比较均匀的，沿着叶片的水端至出水端几乎没有回流、漩涡以及横向流动等问题，可以认为，在转轮流域内，整个流线的顺畅度较高，水流速度分布状态比较好。

如图3所示，叶片的正面和背面水压力分布规律为：由叶片的进水端至出水端呈梯度、均匀降低的趋势。从压力的数值大小来看，正面的压力水平比背面的压力水平高，但二者整体压力分布情况比较好。只是在叶片背面的出水端附近，有极少量存在负压的区域，也就是说，在实际中，有可能会存在轻微的汽蚀现象，但这也是水轮发电机组无法避免的问题。因此可以认为，优化设计后的翼型具有良好的压力分布规律。

综上所述，完成转轮优化设计改造后，新设计的翼型无论是速度还是压力分布情况，都具有良好的性能。也就是说，通过重新设计翼型的改造方法，达到了预期的改造目标，机组的出力和效率都会得到有效提升。

3 结论

在混流式水轮发电机组的转轮优化改造中，如何采用最有效的方法设计转轮，是一个值得研究的问题。本文结合了3种改造方法的特点，选择了重新设计翼型的改造方法，并通过CFD分析验证了良好的改造效果。同时也得看出，CFD分析还存在精度的问题，因此，后续还需要进行模型试验，才能够进一步验证该方案是否为最优设计方案。

【参考文献】

[1]程良骏.水轮机[M].北京：机械工业出版社，1981.

[2]曲卫东，朱海滨，唐士涛.水轮机出力不足分析及转轮的改造[J].黑龙江水利科技，2001（4）：66-67.endprint