混流式水轮机改造性能优化预测

雷 恒，刘子祺，高新江，赵 青，孙见波

（1.小流域水利河南省高校工程技术研究中心，河南开封 475004；2.黄河水利职业技术学院，河南开封 475004；3.黄河小浪底水资源投资有限公司，郑州 450003；4.中国水利水电第五工程局有限公司，成都 610065；5.水利部农村电气化研究所，杭州 310032）

0 引 言

我国20世纪六七十年代修建的一大批水电站，受到当时的设计制造技术条件限制，加上长期运行，水轮机部件尤其是过流部件磨损、空蚀严重，导叶漏水严重，水轮机的性能指标低下。由于电站埋设部件无法更换，新型转轮与老旧型号无法匹配，重新设计开发成本过高，电站整套过流部件更换难度较大。因此，对于此类电站，水轮机改造性能优化预测既减少了水机模型试验等一系列的复杂过程［1-3］，同时又降低了改造成本，获取良好的效果。

某水电站安装3台混流式水轮发电机组，单机容量45 MW，水轮机额定水头54 m，最大水头66 m，最小水头47 m，额定流量98 m3/s。电站投产运行近40年，转轮为吸收国外厂家技术并自行设计制造，水轮机效率设计值偏低，且电站所处河流泥沙含量较大，过流部件空蚀磨损严重，尤其是转轮叶片、活动导叶历经多次大修，但主体已严重变形，效率下降明显，长期达不到设计运行要求，机组稳定性差，运行维护成本高昂。

1 改造方案

1.1 转轮设计

通过技术可行性和可靠性分析，选择国内高效的二滩转轮（以下简称“ET 转轮”）为基础进行改造［4］，ET 模型转轮和本电站模型转轮参数见表1。

表1 ET模型转轮和本电站模型转轮参数Tab.1 The model runner parameters of ET and this power station

1.2 比选方案

改造优化的目的是既要水轮机在满足适当增容、效率适当提高的情况下，机组能在小负荷工况长时间运行，又必须使机组能在高水头工况安全稳定运行。保持转轮上冠最大外径和下环最大外径不变，不改变埋设部件，结构工艺满足，以此为基础提出两种改造优化方案，改造方案2 在方案1 的基础上，导叶分布圆直径和导叶数量不变，仅对活动导叶重新设计，原型机和改型机几何参数见表2。

表2 原型机和改型机几何参数表Tab.2 Geometric parameters of prototype and variant

新选择的转轮能否匹配过流部件尺寸，运行中水流流态如何，过流部件是否还需优化，均有必要对转轮、导水机构及尾水管等部位进行分析。

2 CFD三维仿真计算与流场分析

2.1 模型基本方程

混流式水轮机过流部件水力流动特性方程（N-S方程）［5］：

式中：ρ为水体密度；ui、uj为平均速度（i、j=1，2，3）；p″为等效压力；μe为流体黏性系数。

本计算采用标准k-ε双方程使N-S方程封闭［6］，其方程形式如下：

式中：取Cμ= 0.09，σk= 1.0，C1ε= 1.44，C2= 1.9；k为湍动能；ε为耗散率［7］。

通过GMBIT和TGRID对计算区域进行离散，方程采用二阶迎风差分格式，采用SIMPLE算法实现压力和速度计算求解［8］。

2.2 边界条件

混流式水轮机过流通道整体模型共划分808 733 个单元，302 146 个网格节点［6］，如图1所示。设定边界条件：采用速度进口、自由出口、无滑移壁面边界［9］。计算工况设置见表3。

表3 计算工况设置Tab.3 Operating condition setting

2.3 流场分析

为了充分对水轮机转轮、导水机构和尾水管改造前后进行比较，分别对表3中各工况进行计算，模拟了各工况的流场分布情况，这里仅对额定工况进行分析。

水轮机改造前，转轮叶片背面约1/4 区域出现负压，最低压力值为（-4.28×104～-2.87×104）Pa之间［8］，如图2（a）所示；导水机构出口切向速度：固定导叶为11.3～12.5 m/s、活动导叶为15.7～16.8 m/s，如图3（a）所示；尾水管进口速度：轴向为-1.33～-0.2 m/s、圆周为-3.62～-2.56 m/s［10］，弯曲段底部有轻微回流，涡带较粗，无负压，如图4（a）所示。

方案1 改造后，转轮叶片背面仍有约1/5 区域出现负压，最低压力值为（-5.39×104～-1.02×104）Pa 之间，如图2（b）所示；导水机构出口切向速度：固定导叶为8.9～9.9 m/s、活动导叶为15.9～16.9 m/s，如图3（b）所示；尾水管进口速度：轴向为-2.98～-1.78 m/s、圆周为-2.62～-1.51 m/s，如图4（b）所示。

方案2 改造后，转轮叶片背面负压面减小，最低压力值为（-4.27×104～-2.60×104）Pa 之间，如图2（c）所示；导水机构出口切向速度：固定导叶为9.63～11.7 m/s、活动导叶为14.7～15.7 m/s，如图3（c）所示；尾水管进口速度：轴向为-1.69～-1.19 m/s、圆周为-1.53～-0.49 m/s，如图4（c）所示。

计算表明，在额定工况下，方案2改造后导水机构与转轮设计匹配度较好，水力速度冲击有轻度减小。管内无负压，有反向涡带，涡带较细，水力性能良好。转轮运行状况改善，抗空蚀性能提高。

3 改造前后水轮机性能分析

方案1 改造后，在大开度工况下，水轮机低水头运行，转轮易发生空蚀，运行状况不利，应避免在此范围内运行；在额定工况下运行，空蚀仍较严重；在小开度、小流量工况下运行，转轮叶片背面负压区域虽然很少，水力速度冲击没有显著差别，但水轮机效率无明显提高，尤其是在70 m3/s 以下时，说明导水机构与转轮匹配度不高，尾水管涡带较严重；流量在95 m3/s 以上时，效率和出力虽有提高，但水轮机很少在此范围内运行。

方案2改造后，在各典型工况下运行，水轮机效率和出力均有改善，在70～90 m3/s的流量范围内运行，转轮叶片背面负压范围不大，效率可达91%～92.45%，效率提高明显，出力平均提高1 000～1 400 kW，尤其是额定工况下，效率提高9.45%、出力提高1 330 kW，性能优化明显；超过95 m3/s 时，转轮易发生空蚀，尾水管存在细小涡带，但水轮机在此范围内运行几率不大；低于70 m3/s 的流量时，尾水管涡带仍存在一定较粗的涡带，但水轮机整体运行状况良好。

对比以上两种改造方案，如表4所示，方案2（同时改造转轮和导水机构）导水机构与转轮匹配度较为理想，水轮机各部件流道水力损失较小、抗空蚀性能得到增强，效率和出力得以提高。额定水头工况下计算结果与模型试验结果对比见图5。

表4 改造前后各工况主要性能参数对比Tab.4 Comparison of main performance parameters in different working conditions before and after modification

4 结 论

本文通过两种水轮机流道部件改造方案，利用CFD 进行三维仿真计算，分析了各典型工况下水轮机转轮叶片云压、导水机构及转轮内部流道瞬时流速、尾水管流道瞬时流速，对比了水轮机效率和出力改善提高情况。结果表明，同时改造转轮和导水机构，改善了混流式水轮机过流部件内部水力特性，提高了水轮机效率和抗空蚀性能，增加了出力，运行稳定性增强，降低了改造成本，为类似水轮机改造提供了一定的借鉴参考。 □