基于固液双介质的导水机构双叶栅流场研究

刘福春 张婷 刘超 李翔宇

摘 要：基于Pro/E模型，Gambit网格，采用固液两相流介质，用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics）方法分析了某电站导水机构双列叶栅的位置关系是否会导致水轮机水力损失的变化;对双叶栅5种位置关系的压力、速度分布及水力损失进行水力计算，证明双叶栅的位置关系会对导水机构流场产生较大作用。CFD计算结果表明：在最优工况和额定工况下，双叶栅相对位置为较大时，水力损失较小。

关键词：固液两相流;导水机构;流场分析;设计优化

1 绪论

对现有文献进行总结发现，水轮机导水机构固定导叶和活动导叶的位置分布、导叶数量、导叶转角、导叶的正负曲率都对水轮机性能有影响[1-5]。但在现有的水轮机导水机构的仿真模拟研究中，对于活动导叶和固定导叶相对位置对导水机构流畅的研究较少，也不能普遍适用于所有现存的水轮机，所以对于某新建电站的导水机构流场仿真模拟仍具有实际意义[6-18]。本文对某电厂混流式机组水轮机导水机构进行CFD计算，希望能对机组运行中的水轮机水力振动及损失有所参考。

2 计算方法和流动模型

2.1 水轮机的基本参数

转轮直径1.7m，最大水头238m，最小水头220m，额定水头231m;导叶20个。泥沙颗粒直径为0.5mm，体积浓度为5%。

2.2 计算模型及网格

使用Pro/E软件对水轮机由蜗壳进口至尾水管出口进行三维建模。模型如图1、2所示。用前处理软件Gambit进行混合网格划分。

2.3 水流控制方程

2.3.1 流体相的基本方程

2.3.2 固粒相的基本方程

固粒相粒径为Dpk的粒子所满足的连续方程和动量方程为：

对连续方程和动量方程在贴体坐标下采用有限体积法在模型中进行分割。控制方程分割时，压力相采用二阶中心差分格式，其他项采用二阶迎风格式，采用压力速度耦合算法[19]。

2.4 边界条件给定

进口边界为蜗壳进口截面流量给定，出口边界为尾水管末端截面。模型外壁为组合封闭面，内部为流场，模型壁面区域使用标准函数法处理[19]。

3 计算结果与分析

3.1 导叶的分布关系及导叶相对水力损失公式

将水轮机模型建立坐标系，将导水机构重心作为坐标原点，将模型的右、前方向分别作为作为X、Y轴，与导水机构垂直方向作为Z轴，根据导叶间隔18°，固定导叶不动，将活动导叶沿Z轴依次旋转3.6°，得到以下方案。方案1双叶栅位置为0°;方案2双叶栅位置为3.6°;方案3双叶栅位置为72°;方案4双叶栅位置为10.8°;方案5双叶栅位置为14.4°。

根据导水机构的水力学特性，水力损失如下式所示：

3.2 结果与分析

本文分别对额定工况和最优工况工况进行了计算。从导水机构进口到出口，壓力、速度分布比较均匀，流线清晰，压力和速度呈负相关，压力在逐渐降低，而速度在升高。

CFD计算后，对五种方案下压力和流速场分析表明，双叶栅摆放位置不同对流场影响较大。在双叶栅位置为14.4°附近时水力损失较小，压力场和速度场均匀分布，不容易产生压力突变区，一定程度上减弱了空化空蚀。

4 结论

（1）本文对某电站水轮机在两种典型工况下进行了CFD仿真计算，得到了不同状态下的导水机构压力、速度场及水力损失。

（2）双叶栅相对位置较小时容易使压力场局部增大，容易导致导叶局部磨损。所以，建议在一定程度上扩大分布圆的半径，降低导叶高度，尽量增大导叶的开度。

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作者简介：刘福春（1990— ），男，汉族，山东德州人，硕士研究生，中级工程师，流体机械及其自动化;张婷（1990— ），女，汉族，山东聊城人，硕士研究生，中级工程师，电气工程及其自动化;刘超（1989— ），男，汉族，河北保定人，硕士研究生，中级工程师，能源与动力工程;李翔宇（1992— ），女，汉族，河北张家口人，硕士研究生，助理工程师，电气工程。