fluent2005文集 基于Fluent数值试验的水轮机改造新技术

赖喜德 孙见波

(西华大学 能源与环境学院，四川 成都 610039)

摘 要：传统的水轮机改造方法是针对水电站水轮机中拟改造的过流部件和实际运行条件，采用类似新电站设计的多方案设

计和模型试验进行性能对比来论证改造方案和验证设计。在水轮机改造过程中, 因受到了已有流道的,其过流部件与新

建电站的设计思路有很大的差异。我们根据水轮机改造中过流部件设计的特点，基于数字化设计与试验的思想，对整个流道

进行联合的三维粘性流动数值模拟。在数值模拟的基础上进行性能预测，以数值试验取代模型性能试验，提出一套基于数值

试验的水轮机改造技术，并简介在水电站水轮机改造中的应用情况。

关键词：水轮机 改造 数值模拟 性能预测

1.引 言

对电站水轮机设备进行技术改造，因其投资少，见效快，经济效益高，已引起了世界各国的普遍关注，一些水力资源开发程度较高的国家，尤为重视。近20多年国外出现了电站水力发电设备改造的高潮，前苏联、美国、加拿大、挪威、瑞士等国在水轮机设备改造方面做了大量的工作，取得了明显的经济效益，已成为西方国家解决能源短缺的手段之一[1-3]。在我国水电站中有相当数量的水电设备已运行20~30年以上，其中比较多的建成于20世纪60~80年代。就这些电站的水轮机而言，受当时技术水平和制造能力的，当前存在的问题主要有水轮机能量指标低、空化性能差、运行范围窄、稳定可靠性差、制造质量差、选用材料不合理等，致使出现过流部件磨蚀严重等现象[3-4]。据统计在20世纪80年代前建设的电站，大部分水轮机不同程度存在上述问题。很多电站由于运行时间长达30 年左右，转轮叶片已经多次补焊，变形已经非常严重，水力性能和空化性能明显变差，在改造时必须更换转轮。近10年来，我国兴建了一大批大中型水电站，但仍然满足不了国民经济高速发展的用电需求。为缓解我国电力供应紧张的局面，对我国已运行的一大批水轮机设备进行改造，已成为一项十分迫切的任务。为了提高电站水能的利用效率，提高机组的可靠性和增加电站容量，研究高效、低成1本的水轮机改造技术也日益得到重视[3-4]。

水轮机设备的改造技术主要是在过流部件的改造和更新方面。多年来国内外主要采用在原机组过流部件实测的基础上，将相似地模拟原有过流部件的流道，根据电站运行情况对需要改造的部件进行多方案设计，然后制造出模型机组。通过在模型试验台（MTS: Model Test Stand）上进行大量的模型试验来修改设计和验证性能，以达到改造过流部件的流体动力性能要求。其研究开发不仅周期长，而且成本太高[3、5-6]，对于中小型电站改造项目来看，其成本可达改造项目的总成本的30％左右。随着高速、大容量、低价格的计算机的快速

*四川省教育厅自然科学重点项目（2004A113）及四川省重点学科建设项目（SZD 0412）资助

作者简介：赖喜德 (1962.9-)，男，四川人，西华大学能源与环境学院教授、博士，四川省学术带头人。主要从事流体机械及工程、水力发电工程等方面的研究开发工作，已获得包括国家科技进步二等奖在内的多项国家和部省级科技进步奖。

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103发展，及近年来CFD(Computational Fluid Dynamics)技术的深入研究和软件开发，其可靠性、准确性、计算效率、计算可视化得到很大的提高，在水轮机过流部件中三维流场计算逐步得到应用。如FLUENT在国内外得到了广泛应用，我们现在已可以用高档PC机和商业CAD/CFD/CAE软件组成数值试验台（NTS: Numerical Test Stand），采用数值试验取代昂贵的模型试验进行性能预测成为可能[5-6]。一种基于数值试验的水轮机过流部件改造设计新技术逐步成熟，本文将简介这种新技术及其应用。

2．数值试验在水轮机改造设计中的作用

2.1 水轮机改造中设计的主要任务

水轮机改造设计主要是在现有的机组埋入部件基本不变条件下，对转轮或转轮与导水机构在原来的、或者参考已有的优秀转轮的基础上进行改型设计。针对机组运行的特点而提出的改造性能（增容、效率、空化、稳定性）要求；在转轮设计时必须注意兼顾如下几项任务：①既要满足设计工况下增加出力和或者提高效率的要求，又要考虑到电站长时间运行负荷的工况，尽量提高平均效率，在较宽的运行区域具有较高的水力效率；②必须使机组在高水头（即低单位转速）、小流量工况下具有良好的水力稳定，并且在该区域运行时不出现或基本不出现头部空蚀，保证安全运行；③不要过分追求太高的能量指标，必须注意总体性能的平衡；④必须注意到与不改造的过流部件的几何及在电站可能运行范围内流体动力性能匹配问题；基于水轮机过流部件中三维流场计算的性能预测技术与水轮机水力设计技术相结合可以较好地完成上述的任务[5-6]。

2.2 数值试验在改造设计及性能预测中的作用

为了满足如前所述的水轮机改造要求，多年来主要采用在分析原来机组设计的图纸、或原机组过流部件实测的基础上，对于不改造的部分模拟原有的过流通道，针对上述所列举的改造中注意的问题，对需要改造的部件进行多方案设计，依靠模大量的型试验来修改和验证，以达到改造的过流部件的流体动力性能和结构强度方面的要求。该方法不仅周期长，而且成本太高。数值试验是通过在由计算机和商业CAD/CFD/CAE软件组成数值试验台（NTS）进行各工况的三维流场数值模拟分析，预测性能。通过整个水轮机流道的数值模拟，预测的效率与模型试验得到效率误差已在±0.5～2％[5-6]。数值模拟技术为设计人员提供了观察各工况下整个过流部件的三维流场的压力和速度分布、流动状态、二次流、叶道涡、及尾水管涡带情况，及评估设计改变所产生影响的有力工具。性能预测技术可以使水电项目业主大大缩短设计开发与试验验证的时间，降低改造成本，及更好的运行性能保证。据统计，对于大型改造项目，如采用传统的模型试验，研究开发费用要占整个合同价的5～15％，如采用数值试验与必要的模型试验相结合，则降低到占整个合同价的3～8％，且缩短研究开发周期3～6个月。对于中小型改造项目，或大型单机，如采用传统的模型试验，研究开发费用要占整个合同价的15～30％。采用数值试验则可以大大降低成本。数值试验有巨大的优越性和潜力，在近年来已逐步发挥作用，将进一步得到广泛应用。

3. 基于FLUENT数值试验的水轮机改造技术方案

随着计算机及数值模拟技术的发展，我们可以用高档PC机和商业CAD/CFD/CAE软件组成数值试验平台。实现基于数值试验的水轮机过流部件改造设计技术，该技术包括如图1中的主要功能。对于准备改造的水轮机过流部件，可以通过三维数字化测量后，将其数据传给具有反求功能的三维CAD软件（如Imageware）进

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104行几何建模得到部件现有的几何模型。根据机组的工程图，对整个过流部件（包括涡壳、固定导叶、活动导叶、转轮、尾水管）在三维CAD软件（如Unigraphics）上进行三维几何造型。将要改造的过流部件三维几何模型与不改造的过流部件组成整个水轮机的过流通道的几何模型，然后采用FLUENT CFD软件根据电站的运行条件对于可能运行的工况进行流场数值模拟，综合分析各工况下过流部件中流动情况，再进行改型设计，或者在这些约束条件重新设计。对设计结果在三维CAD软件进行几何建模得到改造后的几何模型，将要改造后过流部件三维几何模型与不改造的过流部件组成水轮机的过流通道的几何模型，再采用FLUENT CFD软件根据电站的运行条件对于典型工况进行流场数值模拟，并考虑各过流部件耦合作用关系，对整个流道进行三维粘性流动计算分析，以流场数值试验取代传统的模型试验。在流场数值模拟和性能评估达到预期的要求后，在三维CAD软件进行改造的部件的详细结构设计，将其的三维几何模型转入结构分析预处理，然后用CAE 软件进行强度、刚度、转动部件的固有频率等结构分析。如果结构分析不满足要求，则修改结构设计。必须注意的是在结构设计时要注意过流通道的相关零部件的配合问题。

数值试验的水轮机改造技术的过程

4. 数值试验中的流场模拟与性能预测方法

4.1水轮机内部流场数值模拟方法

一般情况下水轮机内部的流场是非常复杂的湍流流动，近年来在国内外已经有部分学者对水轮机内部的湍流流场进行了三维无粘和粘性流场的数值模拟，并取得了一些经验和研究成果。由于水轮机过流部件的几何形状多为复杂曲面，湍流模型的选择对能否正确地模拟水轮机内部流场非常重要。经过仔细研究和大量试验，采用基于雷诺平均方程的RNG k-ε湍流模型来模拟水轮机内部流场可以满足实际工程要求。对改造的水轮机过流部件利用三维CAD软件进行三维几何建模，导入GAMBIT进行计算区域离散后，再用FLUENT CFD 软件进行数值计算。基本计算方法如下：求解器选用显式分离式求解器；湍流模型选用RNG k-ε湍流模型，壁面处理选择标准壁面处理函数；压力和速度耦合方式选用压力-速度校正方法即SIMPLE算法；连续性方程、动量方程、湍动能方程和湍动能耗散方程均采用二阶迎风格式离散计算。

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4.2 水轮机的效率预测计算

对于水轮机的效率，从能量转换的角度来计算各工况的水力效率。具体方法是沿转轮进出口积分计算出每个工况的转轮进、出口的平均总压。如设转轮进口P oin ，转轮出口 P oout ，转轮进、出口计算断面的高度差ΔZ ，则转轮转换的水头如下：

Z g

P P H oout oin runner Δ+−=ρ (m) (1) 在流场数值模拟计算中，已计算出转轮叶片表面的压力分布。在此基础上，计算出叶片正面、背面、上冠、下环表面的压力（包括叶片表面的摩擦力）对于转轮旋转轴的力矩之和M (N.m), 该工况的流量为Q(m 3/s)，转轮的旋转角速度ω(rad/s)，可预测计算出水轮机的水力效率h η

runner

h gQH M ρωη= (2) 对每个数值模拟工况进行计算，可预测出在水轮机运行范围内的能量性能，起到与模型能量试验一样的功效。

4.3 根据FLUENT 数值模拟结果进行过流部件中的性能分析

（1） 静压分布

通过流场数值模拟，可以得到每个模拟工况的压力（包括：静压、动压、全压）分布，在水轮机中最关心的是叶片表面的静压分布，如果静压低于汽化压力，可能会产生空化。尾水管中的静压分布、动压分布也受到关注，它对水轮机的运行稳定性有较大的关系。

（2） 速度分布

通过流场数值模拟，可以得到每个模拟工况的流速（包括：绝对、相对）矢量分布，流速度大小和方向与过流部件的磨蚀有较大的关系，与水轮机的效率有一定关系。速度矢量分布可初步反映过流部件在各模拟工况的匹配情况。流速大小和方向是预测过流部件的磨蚀的基础，在含沙量大的电站水轮机过流部件中的流速不能太大。

（3） 尾水管流动迹线

通过流场数值模拟，可以得到每个模拟工况的尾水管中的流动迹线，可近似描述该工况中的尾水管涡带情况，判断水轮机运行的水力稳定性。通过非稳定流场计算模拟，可以预测压力脉动。

（4） 过流部件的水力损失计算

在对整个过流部件联合三维湍流流场数值模拟计算的基础上，可计算出各过流部件的水力损失。各部件的进口与出口的平均总压之差为非转动部件的水力损失。通过各工况下的水力损失分布，也可评估在各模拟工况过流部件的匹配情况。

5. 基于数值试验的水电站水轮机改造实例

上面介绍的基于数值试验的水电站水轮机改造技术已不同程度在国内外电站改造实践中得到应用。我们

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采用前面所述的基于数值试验的水轮机改造方法，对一个在四川境内已运行30余年后急需改造的电站进行了深入的研究。该电站装3台直径4.1m 的混流式水轮机，电站的运行水头在47～66m , 额定水头H r =54m 、额定流量 Q r =98 m 3/s ，电站引用流量最大为240m 3/s 。从大部分实际运行工况来分析，原水轮机的选型设计不太合理，性能指标低。我们按主要运行工况对原有流道的进行数值模拟分析，确定改造中新设计转轮的最优单位流量应比原机组减小，并主要提高最优工况点效率和小流量工况的效率，以大大提高加权平均效率的改造设计原则。在不改变机组的转速和不改造埋入部件前提条件下，重新设计转轮（下面简称“只改方案”）。考虑到导水机构的导叶过流面磨损严重，漏水量大。在转轮改造地同时，有可能对导水机构也进行一次改造。该方案在新设计转轮的基础上，不更换顶盖和底环，只对活动导叶重新设计（下面简称“同改方案”）。对于每个方案在电站可能运行的工况范围确定了18个工况点进行整个水轮机流道的联合流场数值模拟计算分析。改造新设计的转轮如图2中a),整个流道的离散网格如图2中b)，转轮的离散网格如图2中c)。改造后的最优工况的流场模拟的部分结果如图3。将全流道的流场数值试验得的效率与流量之间关系按等运行水头绘制在图4中。两种改造方案的水轮机的最优水力效率都可以达到92％以上。在H=47m 、H=54m 水头下，“只改方案”的最高效率比“同改方案”要稍微高一些，“同改方案”在H=66m 水头下的最高效率比“只改方案”要稍微高一些。结合各工况流场特点和加权平均效率及水力稳定性来分析，“同改方案”的总体性能优于“只改方案”，该方案改造后的水轮机在流量Q=65～105 m 3/s 范围内运行时，水轮机的平均水力效率可以提高2～3％左右；在Q<75 m 3/s ，平均水力效率可以提高5％左右，而该电站会有较多的时间运行在此期间。

a) 改造转轮三维造型 b) 全流道网格离散化 (808733 cells) c) 改造后的转轮网格离散化 图2 改造转轮设计及过流部件的流道离散化

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5．结束语

为了提高老电站水能的利用效率，增加电站容量或者改善现有机组的性能，老电站的水轮机设备的改造技术是越来越受到水力发电行业和发电设备制造业的关注。传统基于模型试验来验证的水电站水轮机改造技术不仅成本高，而且周期长，尤其对于中小型或者单机改造项目其成本过高。随着计算机及流场数值模拟技术的发展，基于整个流道联合三维粘性流动模拟的性能预测结果已能满足工程要求，可以用高档PC 机和商业CAD/CFD/CAE 软件组成数值试验平台。以通过流场数值模拟取代传统的模型试验成为可能。对于大型改造项目，可以采用以数值试验为主，模型试验为辅的研究方法。对于中小型改造项目，可以全部采用数值试验的方法。采用这种基于数值试验的水轮机过流部件改造方法，不仅可以缩短改造周期、保证改造的可靠性、而且可以降低水轮机改造的成本。目前真正意义上的数值试验平台有待于完善和发展，对于多相流动的模拟，液固耦合模拟等功能有待于进一步在水轮机设计中实践。数字化设计技术与数值试验的集成，将在水轮机设计与改造中进一步体现出极大的技术优势。

参考文献

[1] Fidel Arzola, Antonio Marquez, A technical assessment of improvements on large refurbishment turbines at Guri Hydroelectric

complex, 22nd IAHR symposium on Hydraulic Machinery and Systems, Stockholm, Sweden, June, 2004

[2] Didier. P., Chirstophe.T, et. al . Hydrodynamic optimization in rehabilitation project, 22nd IAHR symposium on Hydraulic Machinery

and Systems, Stockholm, Sweden, June, 2004

[3] Qinghua Shi. Rehabilitation of low head Francis turbine by runner replacement, 22nd IAHR symposium on Hydraulic Machinery and

Systems, Stockholm, Sweden, June, 2004

a) 叶片背面静压分布 b) 水轮机横截面（X=0）静压分布c) 导水机构、转轮速度矢量 a) H=47m b) H=54m c) H=66m

图3 改造后水轮机过流部件流场数值模拟的部分结果 图4 两个改造方案及改造前的效率对比

2005 Fluent 中国用户大会论文集

109 109[4] Cichang CHEN, Xide LAI. Latest Progress of Design and Manufacturing for Hydro Turbine in China, J. of Japanese Turbomachinery,

2003, 31(4) : 193～198

[5] Lai Xide,. Analysis and Estimation of Hydraulic Stability of Francis Hydro Turbine, J. of Hydrodynamics,(Ser.B) 2004,

16(2):194-200

[6] 赖喜德. 基于性能预测的水轮机水力优化设计, 水动力学研究与进展[J]，2002，17（6）: 656～66

A New Technique for Retrofit of Hydro Turbines by Using Numerical Simulation with FLUENT

LAI Xi-de SHEN Jian-bo

(School of Energy & Environment, Xihua University, Chengdu 610039, China )

Abstract: The traditional way for retrofit of hydro turbines is a trial and error method by using the model tests with several design schemes based on modification of the existing hydraulic passageway and operation condition. However, there are big differences in methodology of research and development between the retrofit of turbine in old hydro power plant and design of turbine in new power plant, because there were many constraints and limitations in design of turbine passage parts to be retrofitted. In order to meet the requirement of design for turbine passage to be retrofitted, numerical simulations of 3D viscous flow inside the integral hydro turbine passage at many operation conditions are to be carried out by means of digital design and numerical test. The performances of the retrofitted hydro turbine can be estimated based on numerical simulations, and so that the numerical tests can substitute for the model tests in the retrofit of a hydro turbine. Therefore, a new approach for retrofit of hydro turbines is presented ，and some illustrations are also briefly introduced in this paper .

Key Words : Hydro Turbine; Retrofit; Numerical Simulation; Performance Estimation;