水斗式水轮机配水环管水力性能数值模拟

陈金凤

(广西水利电业集团新疆克州水利发电有限公司，新疆 克孜勒苏柯尔克孜 845350)

0 引 言

水斗式水轮机对于地理环境特殊的西部地区小流量、高水头水力条件较为适用，与轴流式、混流式水轮机所不同的是，水斗式水轮机在我国的应用及相关水力损失研究均处于起步阶段，且现有研究的重点大多集中在水斗式水轮机射流及转轮斗叶等方面，对其配水环管水力损失等的研究少之甚少。从实践层面来看，国内相关管理部门及水电站对配水环管的重视程度也略显不足。水斗式水轮机配水环管的作用类似于混流式水轮机组中的蜗壳，主要起到均匀分配水流至各出口的作用，所以水轮机配水效率受配水环管的影响较大，尤其在水轮机机组无法满负荷运行的工况下影响更为明显。通过确定配水环管最优尺寸和形状，以使其满足水力运行要求，通过优化喷嘴结构，使之形成良好的射流组织，对于水轮机运行效率的提升均十分关键。为此，必须深入研究水轮机配水管网水力特性，采用高效合理的出口开启组合方案，提升水斗式水轮机组运行效率。

1 模型构建

目前，流体力学软件在水利、航运、流体机械等各类流体和传热问题的分析方面应用较为广泛，本研究也主要应用流体动力学软件FLUENT进行新疆G水电站水斗式水轮机配水环管水力特性模拟分析。任何流体在流动过程中均受到能量守恒、动量守恒及质量守恒等物理守恒定律的支配，一旦在流体流动过程中新加入不同成分并发生不同成分的相互作用，还必须遵循组分守恒定律支配[1]。本研究所分析的主要是不考虑能量交换的单一流体恒定流动，故只需遵循动量守恒和质量守恒定律即可。

质量守恒方程的一般形式表示如下：

(1)

该公式对于可压流动和不可压流动均较为适用，Sm为从分散的二级相中引入至连续相的质量源项，其也可以是任意自定义源项。

惯性坐标系内i向动量守恒方程可表示如下：

(2)

式中：P为静水水流压力；ρgi为i向重力体积力；Fi为i向外部体积力，包括了多孔介质及自定义源项；ui为流速；τij为应力张量分量，主要通过下式表示：

(3)

为进行水电站水轮机紊流脉动影响，当前较为常用的是时间平均法，即将紊流运动视为时间平均流动与瞬间脉动的叠合，并将紊流脉动分离出来后进一步分析。时间平均法公式为：

(4)

忽略密度变化后便可得到时间平均状态下动量守恒和质量守恒方程，表示如下：

(5)

(6)

以上全部公式中共包括10个未知量，方程数量仅为6个，且方程组为不封闭状态，为此必须构建湍流模型，并通过不同湍流方程和动量守恒及质量守恒方程的结合，组成不同水力特性的湍流模型才能进行求解。具体而言，双方程湍流模型复杂性适度，可通过有限体积法、全隐式方案等对湍流流场方程组离散化处理，构建所对应的离散方程并求解，虽然此类处理方式在浮力流和旋转流等模拟的过程中异性湍流方面还存在问题，但完全能通过修正改善其异性湍流预报[2]。文章在数值模拟过程中主要根据进口流量及压力分别通过速度进口边界和压力进口边界模拟进口水力性能，同时应用壁面函数模拟壁面水力性能。

2 数值模拟对象

新疆G水电站3号机于2014年投产，水轮机为立轴冲击水斗式水轮机组，采用立轴、三相、50Hz、空冷可逆式同步发电电动机。文章数值模拟对象为该水电站立轴冲击水斗式水轮机组6个出口的配水环管，该环管为环形结构设计，且6个配水环管与主轴形成60°夹角，结合配水环管实际结构尺寸并采用Pro/ENGINEER软件所构建的三维实体图具体见图1所示，其弯曲、分岔的变断面结构特征十分明显。其中，1-5#出口和环管共同构成岔管结构，各岔管均安装有紧固及分流作用的加强肋板，且肋板几乎全部置于管内，以承受轴向拉力为主，可显著改善肋板受力结构。该配水环管额定流量23.65m3/s，设计水头Hr为580m，进口直径D为1.7m，1-6#出口侧管断面直径Di均为0.82m。

立轴冲击水斗式水轮机组配水环管所发挥的作用类似于混流式电站蜗壳，水流在流进喷嘴前会均匀分配至6个喷嘴；配水环管对水轮机效率也发挥着巨大作用，其自身水力损失不大，但是其结构设计及运行的优劣对喷嘴射流质量有较大影响：设计不好，会形成较为复杂的流道，强烈湍流形成后喷嘴处便会形成不均匀流场，增加射流组织的紊乱性。为此，必须加强配水环管结构的优化设计，以减少内部水力损失，优化其射流效率。优化的思路主要在于，应控制流道长度和曲率，并保证水流在其间流动的速度最小，且水流流入喷嘴前保证均匀流场无漩涡。故本研究进行立轴冲击水斗式水轮机组配水环管全部管道的模拟，并深入分析引发管道内部不均匀流场和旋涡的原因，优化配水管网结构，避免发生无谓的水力损失[3]。

图1 配水环管三维实体图

通过非结构四面体网格进行该几何外形特殊的配水环管网格划分，划分间距100，网格总数360000，拟定不同工况进行了Qr、0.75Qr、0.5Qr等环管流量情况的模拟，并且在环管流量为Qr且1-6#出口全部开启的工况下还加入了无肋板的情况。通过1-6#出口两两组合开启及四四组合开启等措施有效避免该立轴冲击水斗式水轮机主轴径向不对称水推力的出现。

3 数值模拟结果

通过FLUENT软件所得到的水轮机进出口总压之差进行该立轴冲击水斗式水轮机配水环管至各出口水利损失的计算，总压由静水压力和动水压力等构成。不同工况下该立轴冲击水斗式水轮机水力损失模拟结果详见表1，表中1/6Qr指1-6#出口依次单独开启工况；2/6Qr指两两组合开启工况，依次为1#和4#组合开启、2#和5#组合开启、3#和6#组合开启；4/6Qr指四四组合开启工况，依次为1#、2#、4#和5#组合开启、2#、3#、5#和6#组合开启、1#、3#、4#和6#组合开启。为加强局部水力损失情况的模拟，还在配水环管各岔管进出口段截取了多个断面。表中水力损失模拟结果取0表示该出口处于关闭状态。

表1 立轴冲击水斗式水轮机水力损失模拟结果

通过对上表中水力损失模拟结果的分析可知，进口及所有出口水力损失均值均随流量增大而呈增加趋势，0.5Qr工况下水力损失为Qr工况水力损失的24.5%，0.75Qr工况下水力损失为Qr工况水力损失的50%。除了6#出口外，其余出口与进口的距离越远，则水力损失越大；水流流经5#出口时达到最高水平，经过6#出口后水力损失下降，降幅达到14%。除配水环管内肋板结构外，其余工况下水力损失均值均在2.8%范围内，表明肋板设置后对配水环管能量性能并无较大影响。

立轴冲击水斗式水轮机配水环管管路内水力损失包括沿程水头损失和局部水力损失两个部分。沿程水头损失主要与管道长度有关，而局部水力损失则主要受管路形状的影响较大，且通常出现在管径变化急和管路分岔等位置，其水力损失量一般>沿程水头损失。表1中立轴冲击水斗式水轮机水力损失模拟结果显示，在各种工况下1#出口水力损失均相对较小，通过分析原因发现，与其余出口相比，水流在首个分岔管分流前主要表现为均匀流，并平稳进入分岔管，在无折管的影响下损失较小。对于6#出口而言，水流在其环管内紧贴外侧壁面流动，因不流经分岔管，故无剧烈变化。6#出口虽然水流流经路程最远，但从进口至6#出口的水力损失比从进口至5#出口的水力损失小。

根据以上对出口开启的不同组合方案进行水力损失数值模拟还可以看出，仅有1个出口开启的工况下，1#和2#出口处水力损失最小，均为0.34m，且比水力损失最大的1.30m小0.96m；两个出口同时开启的工况下，1#和4#出口同时开启时水力损失最小，均值为0.14m，比3#和6#出口同时开启时水力损失小0.20m；四个出口同时开启工况下，1#、2#、4#和5#出口组合同时开启时水力损失最小，均值为0.59m，比2#、3#、5#和6#组合开启工况下水力损失小0.53m。

4 结 论

综上所述，通过对G水电站3号立轴冲击水斗式水轮机配水环管包括从进口至6个出口的全流道所进行的三维定常湍流数值模拟分析，得到了该种类型水轮机配水环管水力损失受流量影响的具体结论，即从进口开始直至各出口处，水力损失均值均随流量的增大而呈增加态势；在此基础上还得出配水环管水力损失程度与管路形状及长度密切相关的结论。本研究立足水电站立轴冲击水斗式水轮机实际运行工况，对出口不同开启组合方案下水力性能数值的模拟及分析，对于水电站水力损失的控制及水轮机高效运行具有借鉴参考价值。