(1.兰州理工大学 能源与动力工程学院，甘肃 兰州 730050； 2.兰州理工大学 甘肃省流体机械及系统重点实验室，甘肃 兰州 730050)
摘要：从青海铁吾电站HL160-WJ-84水轮机运行中的实际问题出发，在明确了水轮机改造的方向和目标后，对新旧型谱系列模型转轮的性能进行了对比分析。基于对比结果，初选出了D06A转轮用于技术改造试验。对改造前后的水轮机全流道进行三维湍流数值计算，给出了水轮机改造前后的水动力学特性差异。同时，对改造前后的水轮机蜗壳、转轮叶片的流态分布状况进行了分析比较，对改造后的水轮机整体水力性能进行预估。分析认为，对于小型卧式HL160机组而言，更换转轮后还需对上冠泄水孔实施改造，以防止对流场造成扰动，降低机组的效率。
关 键 词：转轮更换； 数值模拟； 性能预测； 顶盖减压； 扩容改造; 水轮机
老旧水电站增效扩容改造具有投资小、周期短、见效快、条件便利等特点，经济效益显著。青海铁吾水电站位于同仁县隆务河上游，采用径流引水方式。该水电站设计水头为65 m，引水量为6.5 m3/s，最大引水量为15.64 m3/s，水能资源利用率低，弃水现象严重。电站安装有3台3 000 kW的卧式水轮发电机组，其中1台转轮型号为HL160的水轮机最大出力仅为2 000 kW，而发电机额定出力为2 500 kW。生产运行数据显示，多年来该水电站实际引用流量与设计流量相差较大，机组长期运行在非额定工况下，稳定性差，效率偏低，经济效益下降。水能资源和机组状况即说明了对该水电站实施增容改造的必要性和可行性。
水轮机出力公式为[1]
N=9.81QHη
(1)
式中，Q为流量，m3/s；H为水头，m；η为效率。由公式(1)可知，通过提高运行水头、增大引用流量以及提高机组的效率，可以增加水轮机的出力。因隆务河含沙量较大，电站长时间运行后，尾水渠道淤积，尾水位被抬高，使实际运行水头降低，因此，只能通过增大引用流量和提高水轮机的效率来增加出力。当然，也可以借助于工程措施来疏通尾水渠道，恢复电站的运行水头，但投资较大，工程实施也较为困难，对于小型水电站来说显然得不偿失。
目前，CFD技术的发展日趋完善，已广泛用于水轮机的增容改造工作中[2]。赖喜德、吉雷等以数值试验代替模型试验，提出了一套基于流场数值模拟计算的水轮机改造技术，认为在大型水轮机改造工程中，宜采用数值计算与模型试验相结合的方法；而针对中小型水电站的优化改造，则可完全采用数值试验的方法来进行[3]。侯祎华、齐学义等数值模拟了两个典型工况下水轮机转轮的内部流场，根据转轮内部流动信息对叶片进行了优化设计，并预估了改造后水轮机的性能，结果表明改造后的水轮机增容效果明显，且各项指标均满足水电站的需求[4]。毛秀丽、郑源等对混流式水轮机更换不同叶片的转轮进行了数值计算，得出在合理的范围内适当增加叶片长度有利于能量的利用且使水轮机的水力性能更好的结论[5]。
本文结合CFD流场计算分析，通过转轮换型对水轮机进行了改造。同时，对改造后的水轮机的流态分布及其各项性能参数是否能够满足水电站的增容改造要求进行了分析研究。
以更换新转轮的形式来实施增容改造(更换转轮增容)，亦即将旧转轮更换成效率高、稳定性好以及过流能力强的新型转轮，以增加机组的出力，所以新转轮的选型甚是重要。新转轮的流道匹配与否、性能优良与否，不仅决定着水电站增容改造后的经济效益，而且也影响着整个水电站的运行安全。转轮换型的目的就是为了使水电站达到预期的增容效果，而水电站的增容可由加权平均效率和年发电量来予以说明，因此若所选的新转轮两者均最高则为最佳的选择。新转轮的流道尺寸必须与原水轮机的流道相匹配，否则改造毫无意义。由于水工建筑物是不变的，所以改造后新转轮的水力性能必须能适应原有的水工建筑物，其结构强度必须能满足机组安全稳定运行的要求，与机组的布置尺寸也必须匹配。
2.1 转轮的参数比较
需改造的机组水轮机型号为HL160-WJ-84，其导叶相对高度
2.2 机组出力预估
D06A的导叶相对高度
2.3 空化性能的比较
对水轮机而言，比转速ns越高，空化系数σ就越大。 D06A转轮的过流能力远高于HL160转轮，而空化系数仅为0.053，明显要小于HL160的0.065，显然，其空化性能更为优越。
2.4 转轮流道形状比较
图1为改造前后的转轮轴面投影图。其中，虚线为铁吾水电站HL160转轮的轴面投影，实线所示为D06A转轮的轴面投影。整体而言，两种转轮的互换性很好。对于下环锥角，D06A转轮的是6°10′，仅比原转轮小20′，两者基本吻合，因此原锥管可以不改变；D06A转轮的上冠型线较HL160的高出许多，致使上冠部分厚度变小，因此需要对新转轮上冠顶盖侧形状做出修改，最直接的方法是把原来的凹面改为平面，以增加上冠的厚度，满足强度要求；由于上冠流线改变，则其中心铸造空腔也必须做出相应的调整；由于新旧转轮的泄水孔出口位置远在叶片出口边之后，所以不需要改变。
图1 改造前后的转轮轴面投影
通过以上分析可知，D06A转轮基本满足铁吾水电站的改造设计要求。至于新转轮与水轮机其他过流部件的匹配情况是否合理以及实施改造后水轮机内部流动是否均匀，则必须通过CFD作进一步深入研究。
表1 两种转轮主要参数比较
型号推荐水头/m模型转轮直径/mm流道尺寸b0Z1/个D0Z0/个最优工况n110/(r·min-1)Q110/(m3·s-1)Q11/(m3·s-1)限制工况η/%σa0maxD06A110～1504000.225171.162469.00.690.8390.50.05326HL16045～1204600.224171.132467.50.580.6789.00.06524
注：
3.1 计算工况点选取
为获取改造前后水轮机性能及内部流场的变化情况，选取小流量工况、最优工况、较大工况以及限制工况作为计算工况点，对其内部进行详细的数值模拟。
3.2 控制方程
一般情况下，水轮机内部流动为三维黏性不可压湍流运动[6]，其控制方程如下。
连续性方程：
(2)
N-S方程：
(3)
με=μ+μt
(4)
式中,μi为平均速度，p为等效压力，με为有效黏性系数，μ为分子黏性系数，μt为湍流黏性系数。
标准k-ε模型为
(5)
(6)
其中:
(7)
式中,湍流模型常数为：Cμ =0.09;C1ε=1.44;C2ε=1.92;σk=1.0;σε=1.3。
3.3 计算模型
水轮机的蜗壳进口到尾水管出口的整个全流道为流动计算的区域。利用Unigraphics软件建立水轮机的三维几何模型,如图2所示。
图2 水轮机三维流道模型
使用ICEM-CFD作为网格划分工具，因水轮机的结构复杂，故采用了针对复杂模型具有更强适应能力的非结构化的网格来进行网格划分。为了得到较高质量的网格，可对一些特殊区域，如蜗壳鼻端、叶片表面等压力、速度梯度变化大的区域进行局部加密处理。改造前，水轮机的全流道三维实体模型节点数共计有772 658个，单元数为446 845 6个；实施更换转轮的技术改造后，全流道模型的节点数为784 626个，单元数为462 465 8个。由网格无关性验证可知，当水轮机的全流道网格总数超过400万时，所得到的数值解基本不变。
3.4 计算方法
利用有限体积法对雷诺时均方程进行空间离散，选用标准k-ε双方程湍流模型使方程组封闭。运用SIMPLEC算法来求解压力速度耦合方程组[7]。压力项为二阶中心差分格式，速度项为二阶迎风差分格式，采用二阶迎风格式离散动量方程、湍动能与湍动能耗散方程，并选用低亚松驰格式迭代计算，收敛精度设置为10-4。根据蜗壳进口处引用流量设定边界条件为速度进口，尾水管出口边界条件则采用自由出流[8]。固壁处采用流体无滑移和无渗透边界条件，并采用标准壁面函数法处理壁面附近的流动。
4.1 流态分布比较
计算完成后，可获得水轮机内部流动的特征。由于篇幅有限，仅对最优工况下改造前后的水轮机流态的分布情况进行比较分析。
图3给出了改造前后蜗壳对称面的速度分布。从图中可以看出，更换转轮对蜗壳及导叶内部的流动几乎没有影响，改造后速度分布均匀，导叶绕流均匀，头部也没有产生撞击等损失。与实施改造前相比，流动性能并没有下降，说明匹配性良好。
图3 改造前后蜗壳对称面速度分布(单位：m/s)
图4给出了改造前后中间截面处的叶片头部速度的分布情况。从图4中可以看出，实施改造后，D06A转轮叶片的进口头部具有均匀合理的速度分布，说明此处的流动性能良好，叶片进口头部基本上不存在水流撞击，无回流现象产生，叶片流道间速度分布均匀，流动顺畅，无旋涡产生，叶片绕流情况理想，与改造前相比有过之而无不及。
图4 改造前后中间截面处叶片头部速度分布(单位：m/s)
图5给出了改造前后叶片背面的压力分布状况，从图5中可以看出，新转轮D06A叶片背面的压力分布均匀，明显要好于HL160转轮。叶片出口边的低压得以减缓，减弱了空化空蚀现象的发生，转轮的气蚀性能得到了改善，出口流态也得到了改善，机组运行的稳定性得到了提高。
图5 改造前后叶片背面压力分布(单位：Pa)
4.2 水轮机效率与出力比较
通过FLUENT自带的数据后处理功能,可以对水轮机的主要性能进行计算。水轮机的效率可由公式(8)计算得出[9-10]：
(8)
式中，ρ为流体密度，ω为转轮旋转角速度，M为转轮所受力矩之和，水轮机的出力则可由(1)式求得。水轮机改造前后以及各工况下运行的计算结果见图6。
图6 改造前后不同导叶开度下的效率对比
图6为改造前后水轮机的效率随导叶开度的变化曲线，图7为改造前后水轮机的出力随导叶开度的变化曲线。转轮更换以后，水轮机效率得到了明显增加，效率曲线除了小流量工况以外，基本上包括了改造前的效率以上区域，改造前的水轮机效率最高在88%附近，改造后则最高达到90.2%，此后随着导叶开度的增大，水轮机效率均开始降低，出力则一直在增加，在出力限制线附近达到最大值。在小流量工况时，改造后的机组效率较原先下降了0.9%，出力却增加了140 kW；在最优工况区运行时，改造后的水轮机效率较改造前增加了1.2%，出力比原转轮增加了大约410 kW，增容达到了20%；在大流量工况下，改造后的水轮机效率下降，但与改造前相比，下降的幅度不大，并且始终要高于改造前。表明改造后机组运行的高效率区得以拓宽，运行条件得到了改善。
图7 改造前后不同导叶开度下的出力对比
4.3 水轮机各过流部件水力损失
为了进一步得到改造前后机组水力性能的差异，可以求出最优工况下的水轮机各过流部件的水力损失，计算结果见表2。
蜗壳至活动导叶出口水力损失[11]
(9)
式中，ein为蜗壳进口总能，eout为蜗壳导叶段出口总能，进出口总能用进出口总压代替。
水轮机转轮的水力损失
ηth=He/Hr
(10)
式中，He为有效水头，Hr为工作水头。
尾水管的水力损失
(11)
式中，PT(in)，PT(out)分别为尾水管进出口总压。
表2 最优工况下水轮机各过流部件水力损失 %
过流部件改造前水力损失eloss改造后水力损失eloss蜗壳导叶2.92.6转轮6.25.1尾水管2.82.1
由表2可知，在最优工况下，改造后的水轮机各过流部件的水力损失相比实施改造前均有减小，这就进一步说明了D06A较HL160的性能更为优良，与机组其他过流部件的匹配性良好，可以认为更换转轮改造是成功的。
水流经过混流式转轮时产生轴向力，而转轮顶盖上的减压装置能有效地缓减轴向水推力对机组的影响，最为常见的形式有两种：一种是在顶盖上安装压力平衡管;另一种是在转轮上冠开若干泄水孔。对于大中型水轮机组的改造项目，因法兰连接着转轮上冠和水轮机主轴，上冠中空，则可以在上冠处开设若干个泄水孔，况且在顶盖上设置压力平衡管是很多大中型混流式水轮机设计时予以考虑的，所以对于大中型机组而言，只需更换转轮来进行增容改造是完全可行的。而对于小型卧式机组的改造，由于其上冠中心是轴孔，在转轮上冠处开设的泄水孔出口不可避免地处于转轮的流道内，会严重破坏流道内的水流流态，对转轮性能的影响颇深，因此，对小型机组通过更换转轮进行改造时必须重视顶盖的减压问题，需要对能否在顶盖上设置过流面积足够的压力平衡管的问题开展深入的分析研究。
针对青海铁吾水电站HL160-WJ-84水轮机在实际运行过程中出现的问题，实行了增效扩容改造。根据对改造前后的各项参数进行对比分析，可以得出以下结论。
(1) D06A转轮的性能优于HL160，且互换性很好。用HLD06A转轮替代HL160后，机组增容幅度可达20%，且具有良好的高效运行范围。
(2) 转轮改造后，不仅使叶片背面的压力减小，减弱了空化空蚀现象的发生，而且还改善了水流的流态，提高了机组运行的稳定性。
(3) 对于小型径流式水电站的HL160卧式机组，通过更换转轮进行改造时，需将其转轮上冠泄水孔减压改造为顶盖排水孔减压。
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(编辑：赵秋云)
MIN Zheng1,2, TIAN Yaping1,2, ZHU Yuelong1,2, ZHANG Xueguang1,2, HAN Wei1,2
(1.School of Energy and Power Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China；2. Key Laboratory of Fluid Machinery and System，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China)
Abstract: Based on the practical problems in the operation of HL160-WJ-84 turbine of Tiewu Hydropower Station and through the performance analysis and comparison of the new and old runners, D06A runner was preliminarily selected as the new runner. 3D turbulent numerical calculation of the whole flow passage of the turbine before and after runner replacement was conducted and the differences in hydrodynamic was obtained. In the meantime, the flow state of spiral case and blade were analyzed and compared. The hydraulic performance of turbine before and after reformation was estimated to provide reference and guidance for the hydropower station operation. For the small horizontal HL160 turbine runner, crown outl
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