負曲率導葉在高水頭混流式水輪機中的應用及性能分析

陳元林，李成峰，史千

(1 水力發(fā)電設備國家重點實驗室，黑龍江哈爾濱150040;2 哈爾濱工業(yè)大學，黑龍江哈爾濱150001;

3 哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱150040)

0 引言

活動導葉是反擊型水輪機中的重要通流部件，主要起導流作用。其主要功能是在機組起動和運行時控制水輪機的過機流量，保證轉輪進口相應的速度矩，調節(jié)水輪機軸端功率;在機組停機或故障時導葉關閉切斷水流，防止機組發(fā)生飛逸事故等?；顒訉~對水輪機水力性能影響較大，其水力損失僅次于核心部件轉輪。影響水輪機性能的導葉參數(shù)很多，導葉高度、厚度、分布圓直徑等參數(shù)均對活動導葉性能產(chǎn)生影響。由于不同翼型導葉具有不同的流體動力學特征，導葉翼型的選擇則直接影響水輪機的整體性能水平。導葉翼型分正曲率、對稱曲率和負曲率三種。不同水頭范圍的水輪機其水力特性不同，因而對活動導葉翼型設計的要求也不同。負曲率導葉在改善水輪機小開度水力性能上具有明顯優(yōu)勢，因此在高水頭混流式水輪機上得到廣泛應用。

本文主要從高水頭混流式水輪機的水力特性及其對活動導葉設計的要求、導葉水力損失的影響因素和負曲率導葉的翼型特征、負曲率導葉對修正水流環(huán)量的作用等方面，闡述了負曲率導葉在高水頭混流式水輪機水力研發(fā)中的應用。針對320m 水頭段錦屏二級水輪機研發(fā)項目，從不同翼型導葉雙列葉柵的水頭損失、壓力場、速度矢量場、截面流線等CFD 數(shù)值結果，以及兩種翼型導葉對水輪機效率影響的模型試驗結果，對負曲率和對稱曲率兩種翼型導葉的水力性能進行了比較和論證分析，從工程應用實例角度驗證了負曲率導葉對改善導葉區(qū)流態(tài)和提高水輪機效率上的技術優(yōu)勢。

1 負曲率導葉的應用原理分析

負曲率導葉多應用于高水頭混流式水輪機，主要由高水頭混流式水輪機的水力特性對活動導葉設計的要求、以及負曲率導葉對修正水流環(huán)量的作用等方面決定。

1.1 水力特性對活動導葉設計的要求

高水頭混流式水輪機具有流量小、水力損失大、大流量區(qū)穩(wěn)定性能差等水力特性。由于流量小，翼型頭部水流撞擊損失占總損失的比重大;同時由于水頭高，水輪機流道具有導葉高度低、蝸殼斷面小等幾何特征，形成水流通道窄長，流道內水流速度高，水輪機沿程損失大;由于受到流量小和大流量區(qū)穩(wěn)定性差等水力特性限制，決定了高水頭混流式水輪機只能在小開度區(qū)域運行的顯著特點，進一步增大機組運行時活動導葉的水力損失。高水頭混流式水輪機特有的水力特性，決定了活動導葉的設計必須保證與轉輪和固定導葉間良好的匹配關系，以保障水輪機在小開度運行區(qū)域的水力效率等性能水平。

由此可見，減小水力損失，提高效率水平是高水頭混流式水輪機性能研發(fā)的主要目標，而活動導葉的合理設計是關鍵?；顒訉~的相對水力損失可由式(1)［1］表示

由式(1)可知，導葉的相對損失與單位流量Q11、分布圓相對直徑ˉD0、相對高度ˉb0影響關系比較明確，與開度a0的關系則比較復雜，因為導葉阻力系數(shù)Cx和α∞(α∞—蝸殼來流速度和導葉出口速度的幾何平均速度v∞與圓周方向的夾角)均與開度a0直接相關。圖1 為近期研發(fā)的國內某500m 揚程水泵水輪機雙列葉柵水頭損失系數(shù)(用hd/Q2表示，Q=Q11D2H0.5)與活動導葉轉角之間的關系曲線。當導葉轉角小于一定值時其水力損失急劇上升，可見活動導葉轉角對水力損失的影響異常顯著。

導致活動導葉在小開度區(qū)水力損失增大的主要因素是小轉角工況時導葉進口幾何安放角與水流角之間差值(即水流沖角)增大所導致的水力撞擊損失，以及由沖角引起的水流渦流所導致的水能耗散損失。負曲率導葉由于其特殊的翼型特征，在相同的出口水流角條件下，比正曲率和對稱曲率導葉具有更大的幾何安放角，從而減小小轉角工況時導葉進口水流沖角。

圖1 雙列葉柵水頭損失系數(shù)隨導葉轉角變化曲線

圖2 為錦屏二級水輪機研發(fā)中兩種導葉方案翼型特征及其與固定導葉的匹配關系特點。在最優(yōu)轉角18°時負曲率導葉幾何安放角比對稱導葉要大17°，可見采用負曲率翼型可大幅減小活動導葉進水邊頭部的水流沖角，提高小開度區(qū)活動導葉的水力性能。

圖2 錦屏二級活動導葉翼型及與固定導葉匹配關系

2.2 負曲率導葉對水流環(huán)量改變的作用

活動導葉對蝸殼出口水流環(huán)量具有一定的補充和修正作用，一般正曲率翼型導葉使繞流液流的環(huán)量減小，負曲率翼型導葉使液流的環(huán)量增加，而對稱曲率導葉不改變繞流液流的環(huán)量［1］。

混流式水輪機要適應高水頭小流量運行條件，轉輪需具有進口直徑大和流道扁平狹長的特點，因而轉輪進口環(huán)量很大。要滿足轉輪進口環(huán)量的要求，需要蝸殼具有小的出口水流角和平面控制尺寸，照此要求設計蝸殼將導致蝸殼中水流速度增大從而增加蝸殼的水力損失，影響水輪機的效率水平。為了滿足轉輪進口環(huán)量和水輪機效率水平要求，蝸殼水力設計中環(huán)量不足的部分，只能通過采用負曲率導葉進行修正和補充。

綜上所述，負曲率導葉用于高水頭混流式水輪機設計是由水輪機的水力特性和能量轉換的需求決定的，其特殊的翼型特征對提高高水頭混流式水輪機的水力效率等性能水平具有重要的意義。

3 負曲率導葉CFD 數(shù)值結果及性能

為便于說明負曲率在高水頭混流式水輪機應用中的技術優(yōu)勢，下面主要對錦屏二級水輪機研發(fā)項目中負曲率導葉的CFD 數(shù)值結果和水力性能進行比較分析。錦屏二級電站最大凈水頭318.8m，單 機 容 量 600MW，總 裝 機 容量4 800MW，是雅礱江干流上梯級電站中水頭最高、裝機規(guī)模最大的水電站。模型水輪機水力優(yōu)化設計［2］中對負曲率和對稱曲率兩種導葉翼型均進行了開發(fā)，并在其它通流部件都不變的條件下，針對A919 轉輪完成了兩種翼型導葉對水輪機效率影響的對比試驗，最終采用水力性能更為理想的負曲率翼型導葉用于本項目水輪機的研發(fā)。

負曲率與對稱曲率導葉設計結果如圖2 所示。采用動態(tài)流體計算(CFD)手段對兩種不同翼型導葉雙列葉柵進行了數(shù)值模擬分析，其水力損失數(shù)值計算結果如表1所示。相應的水頭損失系數(shù)比較如圖3 所示;導葉頭部區(qū)域壓力梯度分布比較如圖4 所示;負曲率導葉截面流線及速度矢量場如圖5 所示。

表1 負曲率與對稱曲率翼型導葉雙列葉柵CFD 數(shù)值計算結果

圖3 不同曲率翼型導葉雙列葉柵水頭損失系數(shù)變化

由表1 和圖3 可知，在較大的轉角和流量范圍內，負曲率導葉的水力損失比對稱曲率導葉的小，且差值隨轉角的減小而增大，說明負曲率導葉比對稱導葉具有更高的水力效率，更易保證水輪機小開度區(qū)的高效率水平。

圖4 負曲率和對稱曲率導葉頭部壓力梯度分布

由圖4 可知，負曲率導葉水輪機模型最優(yōu)效率比對稱曲率導葉高近0.3%，進一步驗證了負曲率導葉在提高水輪機水力效率上的技術優(yōu)勢。同時，負曲率導葉頭部繞流更理想，反映水流沖角的壓力駐點偏離翼型頭部很小，吸力面壓力梯度分布均勻，不存在壓力突變現(xiàn)象;對稱曲率導葉壓力駐點向壓力面偏離翼型頭部較遠，在最優(yōu)轉角下有較大的水流沖角，吸力面壓力梯度變化較大，存在明顯的局部壓力突變現(xiàn)象和低壓區(qū)。對稱曲率導葉翼型頭部液流沖角大使繞流水流發(fā)生分離和壓力突變現(xiàn)象，從而誘導了脫體渦流的產(chǎn)生，導致水能耗散和局部低壓，增大了導葉的水力損失和局部空蝕破壞的風險。

圖5 錦屏二級活動導葉截面流線及速度矢量場分布圖

由圖5 可知，錦屏二級研發(fā)項目負曲率導葉設計成果，最優(yōu)轉角時頭部速度矢量均勻分布梯度合理，幾乎達到無撞擊來流。截面流線表明，導葉翼型繞流異常平順，無分離渦流等現(xiàn)象發(fā)生，有益于導葉水力性能的提高。

根據(jù)水輪機效率對比試驗結果，兩種翼型導葉水輪機模型最優(yōu)效率比較如圖6 所示。

圖6 A919 轉輪在不同翼型導葉下最優(yōu)效率試驗結果

綜上所述，負曲率導葉具有更小的水力損失和更為理想的水流流態(tài)，試驗結果也表明，使用負曲率導葉水輪機水力效率得到較為明顯的提升。

3 結語

由于高水頭混流式水輪機流量小、水力損失大、小開度區(qū)運行等缺點，這對活動導葉的水力設計提出了嚴格的要求。負曲率導葉特殊的翼型特征，在改善小轉角時頭部繞流、降低小開度區(qū)水力損失、提高高水頭混流式水輪機效率水平等方面具有顯著作用，更適用于高水頭大容量混流式水輪機的研發(fā)。負曲率導葉應用于我國錦屏二級高水頭大容量混流式水輪機研發(fā)項目中，其顯著的技術優(yōu)勢在工程實踐中得到了成功的驗證，可為我國未來雅魯藏布江流域規(guī)劃建設的大批量高水頭大容量混流式水輪機的水力研發(fā)提供借鑒。

［1］ 程良駿.水輪機［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1981.10.

［2］ 張樂福，陳元林，張亮.錦屏二級電站水輪機水力優(yōu)化設計［J］.大電機技術，2008.