基于CFD的低水头轴流式水轮机转轮增容改造研究

张慧珍，卢 磊

(1.四川水利职业技术学院电力工程系，四川成都611231；2.西华大学风电技术研究所,四川成都610039)

我国许多早期的中小型低水头水电站，大多采用轴流式机组。21世纪以来，很多电站由于使用年限较长，设备老化率逐渐增加，导致机组经常出现内部流态紊乱、效率以及出力严重下降等问题。所以，对轴流式水轮机进行增容改造，显得非常有必要。

近年来，在轴流式水轮机转轮的增容改造方面，人们做了大量的研究，取得了丰硕成果。例如：文献[1]采用改进升力法设计的转轮，让机组的出力提升了22%，效率提升了2.1%；文献[2]采用增加叶片轮毂厚度，调整叶片进出角的方式，设计了新的转轮叶片翼型，机组的效率也提高了4%左右；文献[3]采用更换新转轮的方式，机组的出力提升了55%，效率提 升了6%。因此，从上述研究手段来看，机组的改造方法主要是结合电站实际的水纹特征对原老化或选型不当的转轮进行重新设计或更换，改造方案均达到了良好的增容效果。因此，在对某电站轴流式机组的增容改造中，根据电站水头低、机组的转速低等特点，采取了以贯流式转轮替换原轴流式水轮机的转轮，使新转轮的类型更符合电站水纹特征，以达到提升机组出力和效率的目的。

1 问题描述

以某低水头水电站轴流式水轮机作为增容改造对象，电站的部分参数如表1所示。机组改造前的主要指标(改造前的参数由电站提供)以及改造后的目标，如表2所示。

表1 电站原始部分参数

表2 改造前后性能指标

2 改造方案的分析

对该轴流式机组的增容改造中，拟选择的改造方法包括：设计新的轴流式转轮翼型(方案1)、更换同型号转轮(方案2)、更换为贯流式转轮(方案3)。

这三种方法中，改造对象仅针对转轮。方案1的改造效果比较良好，但是设计和制造的周期较长[4]；方案2设计周期短，但因为转轮的类型、尺寸等与旧转轮相同，故改造的效果有限；方案3的依据在于：该电站超低水头，且机组的转速较低。按照选型原则[5]来看，贯流式机组更加合适。且贯流式转轮叶片的数量更少，比转速更高，能够提高单个叶片过流面的流量。3种方案的特点比较见表3所示。

表3 改造方案特点比较

综上所述，本文拟采用贯流式转轮替代原轴流式转轮的方案(方案3)。转轮叶片由原来的5个降低为4个，如图1所示。改造后的全流道模型如图2所示。

图1 转轮改造 前后方案对比

图2 全流道模型

3 改造方案的CFD分析

3.1 约束条件设置

以设计工况为例，对方案3进行CFD分析。约束条件设置步骤为：①网格划分。对全流道采用混合网格进行划分[6]，同时进行多面体网格转换操作，其中总单元数合计为565 311，节点数为2 746 262；②湍流模型的选择。按照文献[7]的研究结论，选择RNG k-epsilon模型；③边界条件设置。蜗壳进口断面为压力进口，尾水管出口断面为压力出口。

3.2 计算结果后处理

3.2.1 流态性能分析

将导叶开度调整至最大，设计工况下转轮内部的水流速度变化规律，如图3所示。

图3 速度变化规律

由图3可知，转轮叶片进水端的速度环量，沿圆周方向保持了良好的对称性。至出水端，水流速度呈逐渐增大的趋势，且速度差也比较大，机组能量转化率较高。从速度轨迹线来看，叶片边界发生了轻微的涡带现象，但对机组的影响不大，可以认为流线基本保持顺畅，转轮内部流场的整体速度分布情况较好。尾水管内部水流速度轨迹线如图4所示。

图4 尾水管内部水流速度轨迹线

由图4可知，转轮的出水端形成了一定的速度环量，致使尾水管的进水锥管产生了死水区。但是，死水区与锥管基本上是同心的，故尾水管的锥管段内没有偏心涡带。涡带强烈的位置在肘管段末，但靠近扩散段，强度越弱，在出水断面已经不明显。所以尾水管的流线比较顺畅，扭曲程度较小，机组的压力脉动极为轻微，不会发生强烈的低频振动。

转轮叶片的压力分布情况，如图5所示。

图5 转轮叶片压力分布规律

由图5可知，转轮的工作面和背面，压力均是从进水端沿出水端逐渐减小。工作面的出水边极少量范围有负压值，因此遭受汽蚀破坏的可能性较小。而背面存在较大面积的负压范围，汽蚀破坏是肯定会发生。但是，背面的负压值较低，故产生的汽蚀破坏较轻，可以通过工艺处理来减轻汽蚀的程度，所以新转轮叶片的抗汽蚀性能还是满足要求的。

机组整体的压力分布情况，如图6所示。

图6 整体压力分布规律

从图6可以看出，在设计工况下，尾水管的压力变化规律为：(1)进口锥管段的断面开始，中心压力较小，沿尾水管边壁方向逐渐增大；(2)肘管段和扩散段的下半端，压力值可以近似认为是恒定值。故尾水管出水端可以看作是均匀无压降；(3)尾水管的整个扩散段也可以近似看作压力均匀分布。在肘管段的中心区域附近，虽然压力有剧烈波动的趋势，但是作用范围很小，所以对机组的影响不大。

综上所述，更换转轮后的机组，内部流场的流动顺畅，满足使用要求。

3.2.2 效率和出力计算

根据CFD的分析结果，进行机组的效率和出力计算[8～9]。

式中，M为转轮力矩；ω为旋转角速度；Q为流量；H为水头。

出力

N=ρgQHη

(2)

除设计工况外，本文还对最大水头工况以及最小水头工况进行了分析。并按照文献[10]的方法将仿真效率进行修正，具体结果如表4所示。

表4 改造前后结果对比

由表4可知，机组增容改造之后，设计工况下的修正效率为91.4%，比改造前提升了5.8%，机组出力提高了10.9%。同时，最大水头工况与最小水头条件下，修正效率分别提升了5.1%和5.2%，出力分别提升了17%和10.5%，达到了预期的改造目标。因此改造方案3是行之有效的。

4 电站实测

按照改造方案3，机组成功投入发电。电站提供的数据，如表5所示。

表5 电站实测数据

由表5可知，机组的效率和出力均比仿真和修正结果低。原因在于：①蜗壳、导水机构等过流部件依然存在老化问题；②新转轮在生产中不可避免地会受到焊接残余应力的影响，从而导致叶片变形；③水轮发电机组运行中，还有摩擦损耗、附加损耗等，造成了实际运行的效率低于仿真结果。但是设计工况的实际效率值仅比改造目标低0.5%，出力也只比改造目标值低0.4%，属于合理的误差范围。所以采取贯流式转轮替换轴流式转轮的增容改造是行之有效的。

5 结 论

在对某电站轴流式水轮机进行增容改造，考虑到超低水头的特征，采用了贯流式转轮替换原轴流式转轮的改造方案，经过CFD分析结果显示，该改造方案的结果达到了预期目标。并且机组成功投入发电，对发电后的实际数据测试，进一步验证了该方法的可行性。