水力發(fā)電混流式水輪機(jī)設(shè)計(jì)

劉桂波

（永豐縣水資源保護(hù)和綜合利用中心，江西 永豐 331500）

20 世紀(jì)下半葉，人們開始注重經(jīng)濟(jì)與能源生產(chǎn)和消費(fèi)的關(guān)系，能源消耗直接關(guān)系到一個國家的發(fā)展[1]。隨著大型化石燃料發(fā)電廠的發(fā)展，環(huán)境污染日益嚴(yán)重，因此清潔和可再生能源技術(shù)在20 世紀(jì)后期得到了重視[2]。到目前為止，水電仍然是世界上使用最多的可再生能源，占可再生能源產(chǎn)量的2/3 以上，利用新技術(shù)提高水力發(fā)電效率，對可再生能源發(fā)展具有重要意義[3]。中國水能資源潛力巨大，大型水力發(fā)電廠建設(shè)工期長、耗資巨大，中小規(guī)模水力發(fā)電站不需要大型建筑，是最有利于環(huán)境的能源清潔之一。

1 混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪

一項(xiàng)關(guān)于水電站水輪機(jī)預(yù)測的研究顯示，75%的水電將使用混流式水輪機(jī)[4]。另一項(xiàng)地震對水電的影響研究指出，在研究的61 個水力電廠中，超過50%的水電適用于混流式水輪機(jī)[5-6]。然而由于缺乏開發(fā)效率更高的水輪機(jī)的制造商，大多數(shù)水電站都使用了效率非常低的雙擊式水輪機(jī)和沖擊式水輪機(jī)，水能潛力沒有得到充分利用。國內(nèi)很多大學(xué)的水輪機(jī)測試實(shí)驗(yàn)室（TTL）一直在不懈努力，將簡化和優(yōu)化的混流式水輪機(jī)技術(shù)引入水輪機(jī)行業(yè)。

江西省永豐縣某水電項(xiàng)目，將現(xiàn)有的非功能性橫流式渦輪機(jī)，更換為新設(shè)計(jì)的混流式水輪機(jī)，設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)參數(shù)

使用三維建模軟件，對本研究設(shè)計(jì)水輪機(jī)進(jìn)行模型構(gòu)建后，再通過布爾運(yùn)算，得到水輪機(jī)在全流體域的模型，如圖1 所示。

圖1 水輪機(jī)全流體域模型示意圖

2 轉(zhuǎn)輪的流道與葉片設(shè)計(jì)

2.1 子午流道

2.1.1 流道參數(shù)

水輪機(jī)葉片流道采用子午流道設(shè)計(jì)，流道比速參數(shù)見公式（1）：

式中：υ∧——比速（無量綱），∧代表最佳效率點(diǎn)；

ω——轉(zhuǎn)輪角速度；

E∧——提供給水輪的比水力能；

Q∧——水輪機(jī)的容積流量。

采用Bovet 設(shè)計(jì)方法進(jìn)行水輪機(jī)的子午面上的流道比轉(zhuǎn)速等基本參數(shù)設(shè)計(jì)，即通過給出的水頭H、流量V 和轉(zhuǎn)速N，來計(jì)算比轉(zhuǎn)速n（無量綱）的設(shè)計(jì)方法。子午面上的流道比轉(zhuǎn)速n 計(jì)算見公式（2）：

2.1.2 流道的特征尺寸

出水口半徑設(shè)計(jì)，采用公式（3）確定蓋板處葉片水流出水口的出口半徑R2e；由于輪轂和蓋板都由同一組曲線定義，因此皆可采用公式（3）計(jì)算。其他參數(shù)通過使用Bovet 提供的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系確定，采用已經(jīng)有較為成熟的設(shè)計(jì)流程及參數(shù)（具體參數(shù)確定不再贅述）。設(shè)計(jì)出水口半徑計(jì)算公式：

式中：Q——出水流量；

ω——轉(zhuǎn)輪角速度；

φ2e——流量系數(shù)，本研究案例的流量系數(shù)和能量系數(shù)分別為0.24 和1.51。

如圖2 所示為蓋板曲線，帶i 的表示后蓋板曲線參數(shù)；帶e 的表示前蓋板覆蓋曲線參數(shù)，繪制到其總長度。

圖2 流道的特征尺寸

圖注：①圖2 所示中心軸線為葉輪的中心軸線；②圖中文字所示旁邊的曲線為前蓋板和后蓋板二維定義曲線，繞中心軸旋轉(zhuǎn)后即為蓋板面；③圖中B 為葉輪出口尺寸；④圖中連接前后蓋板間的兩條曲線是中間流線。

2.1.3 轉(zhuǎn)輪參數(shù)

因?yàn)樗鳑_擊葉片后以拋物線運(yùn)動，所以葉片的前緣和后緣采用拋物線設(shè)計(jì)，以減少氣穴。葉片頂點(diǎn)位于蓋板上并通過輪轂曲線上的特定點(diǎn)。根據(jù)特定的速度，確定葉片的前緣、后緣與輪轂和蓋板曲線相交點(diǎn)。前緣和后緣兩條曲線之間的流線使用流線公式內(nèi)插的方法計(jì)算，考慮了前緣和后緣區(qū)域內(nèi)的內(nèi)插曲線，所有曲線都保存在帶有“.ZR”擴(kuò)展名的單獨(dú)文件中。將曲線導(dǎo)入到Ansys 18.1，Bladegen 中進(jìn)行子午通道設(shè)計(jì)并計(jì)算模擬。

2.2 三維流道設(shè)計(jì)

由于在低水頭水輪機(jī)中，導(dǎo)向葉片的后緣到轉(zhuǎn)輪前緣的距離，會因輪轂到護(hù)罩距離不同而異，從而導(dǎo)致水流在轉(zhuǎn)輪入口的葉片處出現(xiàn)氣穴。為了減少氣穴問題，在轉(zhuǎn)輪入口處引入了傾斜角。

每個葉片中流線的角度，沿子午曲線相對于半徑歸一化距離呈線性分布。葉片各流線前緣點(diǎn)和后緣點(diǎn)角度計(jì)算成果，如表2 所示。

表2 各流線進(jìn)出口角β

分別計(jì)算流線中各點(diǎn)的傾角θ。每條流線的開始處，前沿處的傾角θ 的值默認(rèn)為0，即轉(zhuǎn)輪入口處沒有傾斜。通過每個流線點(diǎn)的計(jì)算，模擬出傾斜角度的流道，如圖3。

圖3 轉(zhuǎn)輪的傾斜角度

2.3 固定設(shè)計(jì)分析

2.3.1 導(dǎo)葉概況

導(dǎo)葉是混流式水輪機(jī)的組成部分，是在不干擾水流能量的情況下保持蝸殼結(jié)構(gòu)完整性的部件，其功能是將進(jìn)口處水頭的壓力能，部分轉(zhuǎn)換化為水流動能，從而加速導(dǎo)流槽內(nèi)水流流速。導(dǎo)葉是可以繞固定軸移動的可移動部件，對于調(diào)節(jié)水流流速和水流方向起著重要作用?；顒訉?dǎo)葉控制系統(tǒng)，是根據(jù)進(jìn)氣處的流量，利用高精度聯(lián)動系統(tǒng)，控制每一片導(dǎo)葉角度的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)各導(dǎo)葉同步協(xié)調(diào)運(yùn)行。

本水電工程一年中大部分時間的流量不變，可不使用活動導(dǎo)葉，節(jié)省了導(dǎo)葉控制系統(tǒng)，降低了水輪機(jī)制造成本和施工量。只需采用計(jì)算機(jī)模擬分析，確定兩種導(dǎo)葉結(jié)合的最佳方案后，將活動導(dǎo)葉和固定導(dǎo)葉系統(tǒng)，按固定的方案組合成一個整體，葉片級聯(lián)長度按1∶1 的比例組合。

2.3.2 導(dǎo)葉設(shè)計(jì)

導(dǎo)葉系統(tǒng)應(yīng)確保轉(zhuǎn)輪的圓周速度與水流的旋轉(zhuǎn)能量相匹配。導(dǎo)葉的出口半徑比轉(zhuǎn)輪進(jìn)口半徑大5%，導(dǎo)葉長度影響蝸殼形狀，因此導(dǎo)葉的長度、數(shù)量應(yīng)確保導(dǎo)葉系統(tǒng)能夠完全閉合水流，每個導(dǎo)葉的最佳導(dǎo)葉長度，比所在弧長多10%～15%。向CFD 軟件分析系統(tǒng)，輸入切向和經(jīng)向速度，獲得導(dǎo)葉出口的固定角度。

固定葉片的設(shè)計(jì)考慮了通過它的自由渦流，其形狀遵蝸殼的自由渦流路徑。固定葉片被設(shè)計(jì)成分段的，使得每個分段的入射角與導(dǎo)葉開始點(diǎn)處確定的入射角相同?；谝陨?，進(jìn)一步可確定固定導(dǎo)葉每個部分的長度和跨度角。

在設(shè)計(jì)中，一般通過檢查是否能抵抗蝸殼內(nèi)的壓力來保持蝸殼的形狀，迭代確定拉力葉片的長度和厚度。在參考案例中，選擇固定導(dǎo)葉的長度使兩個葉片組合的比率為1∶1。

3 蝸殼與尾水管設(shè)計(jì)

3.1 蝸殼

蝸殼是混流式水輪機(jī)的外殼，它將來自壓力管道的水流均勻分布在轉(zhuǎn)輪的圓周上，并將水的軸向動能轉(zhuǎn)換為周向動能。

蝸殼的設(shè)計(jì)通?？紤]通過蝸殼的自由渦流，然而恒定平均速度理論也適用于低水頭水輪機(jī)。在混流式水輪機(jī)中，通常首選圓形截面的蝸殼，但對于低水頭混流式水輪機(jī)，由于占用的空間較小，首選梯形蝸殼。梯形蝸殼除了占用較小的空間外，與圓形蝸殼相比，梯形蝸殼所需的接頭數(shù)量較少，因此制造相對方便。

此外，研究發(fā)現(xiàn)梯形蝸殼與圓形蝸殼相比，水力性能更為優(yōu)秀，因此采用梯形蝸殼設(shè)計(jì)。

蝸殼的設(shè)計(jì)是一個迭代過程，通過確定截面尺寸的最佳組合來滿足流動條件。截面面積是通過減小前一截面分布的流量，保持圓周速度恒定，計(jì)算每個截面的可用流量來確定的。Ri，bi和ai的值是為每個截面確定的，這樣圖4 中所示bi和ai的比值在所有截面中保持不變，形成的面積等于等速計(jì)算的面積。

圖4 梯形截面

3.2 尾水管

尾水管用來回收利用轉(zhuǎn)輪流出水中未使用的動能，使轉(zhuǎn)輪出口處形成負(fù)壓，提高渦輪機(jī)的效率。它采用發(fā)散管設(shè)計(jì)，通過降低流速來增加過流水的壓力，本案例選擇了一個簡單的錐形尾流管。假設(shè)尾水管出口處的水速為2 m/s，尾水管的長度可根據(jù)現(xiàn)場情況或根據(jù)錐角計(jì)算，建議使用4°的錐角，以確保尾流管的有效性能。

4 計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)模擬分析

4.1 CFD 模型分析

為分析驗(yàn)證水輪機(jī)各部件與系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的科學(xué)性，采用流體力學(xué)軟件Ansys CFX 18.1 進(jìn)行了有限體積法的數(shù)值模擬。將Bladegen 葉片建模器中創(chuàng)建的轉(zhuǎn)輪域，導(dǎo)入網(wǎng)格劃分軟件Ansys Turbogrid，生成高質(zhì)量的六面體網(wǎng)格。采用三維建模軟件Creo，將其他所有組件進(jìn)行建模，然后導(dǎo)入Ansys 18.1 系統(tǒng)工作臺進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成四面體網(wǎng)格組件。將每個組件的網(wǎng)格文件導(dǎo)入到前處理軟件CFX-Pre 中，推理模擬的設(shè)計(jì)和物理參數(shù)。通過大量模擬運(yùn)算，并根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到最優(yōu)設(shè)計(jì)，CFD 分析參數(shù)如表3 所示。

表3 邊界條件

4.2 結(jié)論

通過對設(shè)計(jì)的某水電工程混流式水輪機(jī)性能進(jìn)行分析，葉片在單通道上的最大效率為95.39%，且葉片前緣的壓力區(qū)很低，負(fù)壓區(qū)集中在流道吸入口附近，這種現(xiàn)象在低水頭混流式水輪機(jī)中較為常見。

通過不同跨度的葉片載荷曲線和葉片上的壓力輪廓觀察，引入傾角后，低壓區(qū)大大減小，但在任何角度下都沒有完全消失。圖5 為不同葉片傾角，葉片表面壓力分布云圖。考慮到整個前緣跨度的壓力和效率，傾斜角度為5°時的結(jié)果相對較好。通過對比不同傾斜角以及葉片的壓力平衡可以獲得相對更好的效果。

圖5 不同葉片傾角壓力云圖

將固定導(dǎo)葉和活動導(dǎo)葉按不同的比例組合，并對其性能變化進(jìn)行分析。在葉柵熔合比例變化不大的情況下，水輪機(jī)的總效率沒有太大差異。然而，其他研究表明，特別長的葉片固定導(dǎo)葉的百分比更高，效率相對較低。導(dǎo)葉按1∶1 的比例組合，得到的結(jié)果與活動導(dǎo)葉和固定導(dǎo)葉的結(jié)果接近。配水系統(tǒng)和尾水管的總效率為82.47%。效率的損失可能是由于梯形蝸殼內(nèi)的損失以及非氣動形狀的熔接葉片系統(tǒng)造成的。

5 結(jié)語

本研究對混流式水輪機(jī)進(jìn)行了簡化設(shè)計(jì)，可以不使用復(fù)雜的制造技術(shù)，滿足中小水電站的應(yīng)用。在目前水力發(fā)電普遍采用效率較低水輪機(jī)的情況下，引入混流式水輪機(jī)必將提高發(fā)電效率。在最佳效率點(diǎn)，固定導(dǎo)葉和活動導(dǎo)葉對效率影響不大。由于水輪機(jī)通常在一種流量條件下運(yùn)行，因此缺少活動導(dǎo)葉不會產(chǎn)生太大影響。為了獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果，應(yīng)該進(jìn)一步研究兩個葉片組合的比率。梯形蝸殼更容易制造，但其在現(xiàn)場條件下的有效性仍有待研究。