冲击式水轮机全流域数值分析及流动特性研究

程超

哈尔滨电机厂有限责任公司 黑龙江哈尔滨 150000

与国外相比，中国的冲击式水轮机研究水平仍处于经验积累阶段。另外，水轮机的进气流是两阶段的三维不稳定流，复杂的流场特性也给研究带来很多困难。冲击式水轮机的水循环回路具有经典的圆形弯头流和歧管流，水循环回路和喷嘴中存在伴随这两个流的二次通量现象，并继续干扰主流。下游压力和自由射流速度会引起各种影响，这是冲击式水轮机供水机构的主要能量损失点。因此，研究冲击式水轮机的水循环，喷嘴和喷射回路的流动特性尤为重要。

1 四喷嘴冲击式水轮机供水机构内部流动特性研究

冲击式水轮机主要由供水机构和流道组成。供水机构包括配水环管和圆形喷嘴。研究表明，上游供水机构的流量特性将直接影响从上游喷嘴出口形成的流量[1]。同时，供水机构进水通道的设计与冲击式水轮机运行过程中的能量损失有关，直接影响整个机组的效率。为了研究四喷嘴冲击式水轮机供水机构的向内流动特性以及由此产生的能量损失的分布以及多脉冲水力发电机组的参数，研究了以下三个方面：

（1）研究供水机构的内部流动特征；

（2）寻找供水机构造成的能量损失；

（3）研究供水机构内部二次水流的发展过程。

2 四喷嘴冲击式水轮机全流域发展分析

（1）四喷嘴冲击式水轮机供水机构中配水环管、喷嘴的内部流态进行了分析，将其流动特性以及各部分能量损失进行了阐述。结合四喷嘴冲击式水轮机相关工况条件，可以看出其适用范围相当广泛，对于流量要求没有轴流式、贯流式水轮机高，不需要建设具有相当规模的水坝作为运行环境，在高水头的水力资源工况条件下能体现优秀的产能效率。

（2）通过提取喷嘴在三个工作水头下的进出口压力差及水头损失比等系数后，发现喷嘴的能量损失也随工作水头的上升而上升，同时在同一工作水头下，四个喷嘴的能量损失基本持平。通过提取喷嘴喷针外侧的14 个平面平均压力点的压强可以得知，喷嘴内部水流在逐步接近喷嘴口时，由于喷嘴壁面急剧收缩，使得压力梯度骤然上升，逐步将水流的压力能转化为动能。越靠近出水口，压力下降幅度越快。在流经喷嘴喉部时，压力会降至较低位置，随后由于后续射流施加向前的加速度，压力缓慢回升。

（3）通过对供水机构内部二次流现象的研究，发现在配水环管及喷嘴内都存在着不同程度的二次流现象。在配水环管中水流经过曲率较大的弯管截面时，在内部产生迪恩涡对并且在水流前进的过程中，这对旋涡持续发展，对配水环管内部流动造成了较大的干扰。在水流进入接近分叉管口时，二次流暂时消弱，但仍然存在。在水流进入喷嘴进水口后，二次流现象再次发展，在靠近喷嘴出水口时再次削弱。在水流流经喷嘴口形成自由射流后，二次流现象再次发展，持续以一定规模存在于射流中。可以看出二次流现象贯穿于供水机构的全部流动过程中，是供水机构主要的能量损失来源。

（4）通过选取当前主流冲击式水轮机基本模型，求解出最高效率下的最优速度比，将数据导入四喷嘴冲击式水轮机全流域的仿真模拟，发现自由射流与转轮的做功过程存在多个步长的阶段，从射流刚接触水斗、射流少量进入水斗、射流被水斗切水工作面切割、射流充分进入水斗这几个观测时间点中发现了射流在水斗内会存在破坏水膜流动的水流溢散流失现象，一定程度上造成了做功过程中的能量损失。在射流与单一水斗的运动过程中，发现水斗中存在多个负压力域，容易形成气蚀现象。同时相邻水斗通过水流进行相互作用，对水轮机整体产能效率有着不容忽视的影响。

（5）本文使用ANSYSFLUENT 以及CFD-Post 对四喷嘴冲击式水轮机进行了全流域数值模拟分析，对配水环管、喷嘴内流态以及射流的压力、速度、流线等方面参数进行提取和分析，并将射流冲击水斗做功过程分解为多个时间步长，探明在四喷嘴冲击式水轮机从供水机构到转轮之间主要的能量损失来源。

提高供水机构以及转轮的建模精度。在配水环管的实际加工过程中，是用多截小弯管逐次焊接而成，但其设计原型并未有统一规格。本文提取主要弯管截面的曲率，进行简化建模。转轮水斗建模共分为四个面，分别是前部切水面、中部做功面、尾部出水面以及背面。但在实际的水斗加工过程中，国外主流使用非光滑曲面设计的水斗，而国内使用三个工作面为光滑曲面的水斗并且与配水环管一样没有统一规格。从而使得国内外关于转轮做功的相关研究存在差异性。

3 结语

总而言之，随着中国社会的飞速发展和各行各业生产水平的不断提高，电能已成为所有电力公司和国家必不可少的重要能源。近年来，该国的电能生产和开发进入了一个热点阶段，其中水电是电能生产的重要来源，其发展势头和技术逐渐成熟。在我国，水力发电已由低水位向高水位发展。其中，水轮机起主要的能量转换作用，将水流的动能转换为转轮的机械能。在许多具有不同条件的液压资源中，每种类型的水轮机都响应不同的扬程和工况。在不同类型的冲击式水轮机中，冲击式水轮机适合在高扬程条件下运行，相对容易安装，维护成本低，并且在低流量和高流量下均表现良好。