某灯泡贯流式水轮机关键部件CFD分析

引言

       本文以某灯泡贯流式水轮机为研究对象，应用三维造型软件建立三维水体模型，使用CFD软件采用分块网格技术将包括进水流道、导叶、叶片、尾水管的整个子区域分别进行网格划分，并确定适合的CFD计算方法、收敛标准及水轮机效率。其中，CFD计算方法包括：控制方程、边界条件、进出口边界、动静交界耦合面、SIMPLEC算法、湍流模型。最终，从效率和导水机构、叶片、尾水管等水轮机关键部件等CFD计算结果来看，效率符合水轮机外特性曲线，在小开度下易脱流并产生卡门涡街。

       某灯泡贯流式水轮机基本参数如下：额定出力为24.67MW，额定流量为399.7m³/s，额定转速为68.18r/min，飞逸转速为219r/min，最高水头为10m，额定水头为6.8m，最低水头3.1m，最大水头时的正向最大轴推力为354t，反向最大轴推力为462t，导水机构有16只导叶，由四个叶片组成。

1 CFD数值计算

       1.1 三维几何模型

       本文以某电站灯泡贯流式水轮机为建模对象，应用三维造型软件建立三维水体模型，模型主要由流道体、灯泡体、转轮体、导叶和桨叶组成。

       （1）流道体：由坝体、进水流道、转轮室、尾水流道四部分组成，绘出流道体外部轮廓线和截面线，生成流道体。

       （2）灯泡体、转轮体：绘出灯泡体以及转轮的外部截面线，并以轴线为旋转轴，分别回转生成灯泡体和转轮体。

       （3）导叶：根据导叶叶型数据生成叶型曲线，用各叶型端点创建导叶进出口边曲线，以叶型曲线和进出口边曲线为特征曲线生成导叶特征曲面，将特征曲面缝合为导叶实体。

       （4）桨叶：以叶片压力曲面和吸力曲面的曲率走向为基础，向叶片的轮缘，轮毂方向延伸这两个曲面，并按初始水力设计尺寸做叶片轮缘和轮毂的球面。用球面去裁剪叶片压力曲面、吸力曲面，得到叶片上轮缘和轮毂的球面，将各曲面缝合成为叶片实体。

       （5）将流道体、灯泡体、转轮体、导叶、桨叶按照结构设计尺寸装配到一起，阵列16个导叶、4个桨叶，然后用布尔运算将流道中的灯泡体、转轮体、导叶、桨叶减去，便生成了完整的全流道流体模型，如图1。

       1.2 网格的划分

       针对计算区域结构复杂程度不同的特点，采用分块网格技术将整个子区域（进水流道、导叶、叶片、尾水管）分别进行网格划分，因为前流道和尾水管结构较规则，所以采用六面体结构化网格，而导叶和叶片是由相对复杂的不规则曲面构成的部件，划分结构化网格十分困难，所以采用四面体非结构化网格。最终将各网格子单元按照模型的顺序嵌套为整体网格，如图2，共有1000多万个网格节点。

       1.3 CFD计算方法

       （1）控制方程：灯泡贯流式水轮机遵循连续方程、动量守恒方程、能量守恒方程、组分质量守恒方程、气体状态方程和通用控制方程。

       （2）边界条件：进口边界为质量流量，出口边界为给定静压。当壁面静止时，设置成壁面无滑移条件；当壁面平移或者旋转时，通过给出壁面切应力模拟壁面滑移。在动、静交界的耦合面设成滑移网格交界面。采用SIMPLEC算法实现压力和速度的分离求解。

       （3）计算湍流模型的选取：鉴于灯泡贯流式水轮机的转轮、导叶、流道有较多曲面，会带来大曲率流动。为了准确地模拟这种流动，本文选用RNG k-ε湍流模型。

       （4）收敛标准：收敛标准以残差值为衡量，默认的残差值为1×10^-4。

       （5）水轮机效率：

       其中Q为转轮进口的流量；△p为进出口的总压差；M为转轮绕旋转轴的合力矩；ω为转轮旋转的角速度。

       1.4 计算工况的选取

       数值计算包括定常计算和非定常计算两部分，计算工况如下：

       ①桨叶开度7º，导叶开度29.2º，进口流量89808kg/s

       ②桨叶开度25º，导叶开度54.8º，进口流量244337kg/s

       ③桨叶开度31º，导叶开度60.5º，进口流量299379kg/s

       ④桨叶开度41º，导叶开度70.8º，进口流量418540kg/s 

2 计算结果

       2.1 效率

       定常工况点计算所得的效率和水头如表1所示：

表1 定常工况点的效率和水头

       2.2 导水机构

       2.2.1 导水机构中间锥形断面流线

图3 各工况导水机构中间锥形断面流线

       从工况①导水机构中间锥形断面流线（如图3）可以明显的看出，在小开度工况下，水流在导叶进口处有明显的冲击进口，而工况①导叶出口流线相对稳定，且在两导叶之间的锥形断面上并未发现有冲击进口所产生的叶道涡。对比工况①、②、③、④的导水机构中间锥形断面流线可知，工况②、③、④进口并未出现撞击脱流，说明撞击脱流在小开度下较易产生，故运行时尽量将负荷调大，避免导叶进口发生脱流现象，影响机组的稳定性。

       2.2.2 导水机构中间锥形断面流线

       由工况①、②、③、④导叶压力、吸力面涡核（如图4）可知，4个工况下导叶压力面漩涡基本没有产生漩涡，而在导叶吸力面靠近进口处产生了漩涡，漩涡是从进口沿着导叶表面向导叶出口发展的，漩涡产生的原因即为前述的水流经过导叶发生冲击，冲击使得导叶的低压区（即导叶吸力面）产生流动分离，水流出现脱流，进而产生漩涡。观察两导叶中间流道区域涡核，并未发现有漩涡的产生，即在此中间区域并未产生叶道涡。

图4 各工况导水机构中间锥形断面流线

       2.3 叶片

       2.3.1 转轮中间环形断面流线

       由图5可知，工况①、②、③、④转轮中间环形断面流线走向是沿着被切翼型的，并未发现异常情况，且在两叶片中间环形断面没有出现叶道涡。

       2.3.2 叶片涡核

       由工况①、②、③、④转轮区域涡核（如图6）可看出，叶片在进、出口存在漩涡，叶片进口漩涡是由流过导叶的水流对叶片有冲击造成的，叶片出口漩涡是由叶片出口尾流造成的；叶片根部转轮体区域存在涡环，此涡环是水轮机中间部分的水流在向下游行进的过程中随着转轮体的旋转而旋转所形成的；工况①转轮室区域存在较大的涡环，而工况②在叶片轮缘后有沿着轮缘方向呈螺旋状的旋涡，工况③、④叶片轮缘后也存在少量沿轮缘方向的旋涡，工况①转轮室的涡环和工况②、③、④叶片轮缘处的漩涡都是由叶片后存在圆周速度，造成了出口环量，导致了漩涡，并且漩涡强度随着工况①、②、③、④叶片角度的依次增大而减小。

       2.4 尾水管

       2.4.1 尾水管静压

       由4个工况下（如图7）的尾水管静压可以看出，沿着水流的流向，从尾水管进口到出口，压力是均匀升高的，且压力基本对称，对称轴为主轴轴线。工况①、②、③压力云图显示在尾水管中间都存在连续的条状低压区，由此判断此即为尾水管空腔涡带，随着开度的增大，连续低压区的最低压力增大，涡带渐渐减小。但在工况①位置的压力云图与其他开度下的云图显然不同，连续的低压区面积较大，且有一个高压区域连接尾水管的进口和上下管壁，说明除了涡带外在尾水管存在其他对机组影响较大的不稳定流，此不稳定流是轴对称的。工况④中间区域没有连续的低压区，则机组在工况④下，较难形成尾水管涡带。

       2.4.2 尾水管速度

       对比工况①、②、③、④尾水管速度云图（如图8），沿着水流的流向，从尾水管进口到出口，速度是降低的，速度值以主轴轴线为对称轴上下对称；工况①尾水管速度云图与其余三个工况尾水管速度云图有明显的不同，它在尾水管中间区域有三个低速区，上下两个低速区沿着轴线对称，中间的低速区为椭圆形，夹在两个高速区的出口中间，由此可以判断工况①在尾水管进口到中间区域出现一种比较特殊的漩涡；工况②在尾水管出口处有一个三角形区域的低速区，说明此处流动存在异常。

       2.4.3 尾水管中间断面流线

       对比工况①、②、③、④尾水管中间断面流线（如图9），工况①流动不稳定，在泄水锥后引起边界层分离，尾水管横向的中间部位产生明显的卡门涡街，卡门涡的涡旋间距各不相同，沿轴线方向卡门涡是渐扩的，卡门涡在尾水管中部停止，中止位置之后流态趋于平稳，中止区域上下两侧局部有由流动分离引起旋转方向相反、沿轴线对称的漩涡，而工况②、③、④尾水管中间断面流线未发现卡门涡的存在；工况②尾水管水流在出口产生流动分离，分离处恰为速度云图中显示的三角形低速区域；工况③流动平稳；工况④尾水管出口下方区域出现流动分离现象，这是由于尾水管出现回流所致。

3 结论

       针对某电站灯泡贯流式水轮机4个不同开度的运行工况，进行水轮机的CFD数值计算，重点对导水机构的流场进行分析研究，可以得出以下结论：（1）效率符合水轮机外特性曲线；（2）导叶撞击脱流在小开度下较易产生；各开度下，导叶吸力面靠近进口处容易产生漩涡；（3）各开度下，叶片在进、出口存在漩涡，叶片进口漩涡是由流过导叶的水流对叶片有冲击造成的，叶片出口漩涡是由叶片出口尾流造成的；（4）各开度下，尾水管中间都存在空腔涡带，随着开度的增大，连续低压区的最低压力增大，涡带渐渐减小；小开度下，在泄水锥后引起边界层分离，尾水管会产生卡门涡街。