14基于Fluent数值试验的水轮机改造新技术.pdfVIP

2005 Fluent 中国用户大会论文集 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限制,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限制，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。 86 86 2005 Fluent 中国用户大会论文集 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