1　前言

　　葛洲坝水力发电厂ZZ500转轮是我国在20世纪70年代研制的老型号转轮，在我国20～30m水头段电站中得到了较为广泛的应用。ZZ500转轮能量指标、空化性能指标以及机组的运行稳定性等方面在当时都处于国内领先水平，也得到了多个电站实际运行的考验。

　　但是，由于当时水力设计的手段及工具都非常落后，我国水力设计工作者没有也不可能对从导叶出口至尾水管进口这段控制区域的流速场、压力场进行定性定量的计算和分析，特别是对水流绕叶片流动的运动状态是否合理没有清晰的认识，所以，ZZ500转轮不可避免地在水力设计上存在一些缺陷。鉴于此，东方电机股份有限公司(简称“东方电机”)应用当今世界上通用的先进CFD技术，对于ZZ500转轮最优工况、额定工况的流动进行了详细的分析计算，得到了原转轮的主要内部流动特性，并据此对原转轮叶片的局部几何型线进行优化改进。

2　计算方法

　　近年来，随着计算流体力学数值求解技术和计算机软硬件技术的高速发展，粘性流动计算技术趋于成熟，使得求解旋转透平机械内的复杂三维粘性流动成为可能，这种最新CFD技术在水轮机水力设计中的应用使我们能够精确地分析和了解水轮机转轮及通流部件的内部水流结构，从而对水轮机的过流部件几何尺寸进行优化，全面提高水轮机的各项性能。水轮机现代设计技术和CFD技术在水轮机水力设计中的采用也彻底地改变了传统的水力设计思想，由于CFD分析和性能预测技术的应用大大提高了水轮机水力设计的可靠性和命中率，水力设计和模型试验已不再采用多方案比较和优选，而代之以计算机数值试验进行，从而大大缩短了水轮机开发周期，提高了水轮机水力设计的质量和技术含量。

　　精确的CFD分析结果可为预估水轮机性能创造条件，从而替代传统水轮机开发研究中的效率和空蚀初步试验，以较低的成本和较短的周期达到水轮机转轮优化设计的目的。

3　ZZ500转轮流动计算的工况条件

3.1　水轮机主要参数

　　水轮机型号　　　　　　ZZ500－LH－1020

　　最大水头/m　　　　　　　27.00

　　额定水头/m　　　　　　　18.60

　　最小水头/m　　　　　　　8.30

　　额定功率/MW　　　　　　129

　　额定转速/r·（min）－1　　　62.5

　　转轮直径/m　　　　　　　10.20

　　吸出高度/m　　　　　－7.00

　　设计点流量/m3·s－1　　　　825.0

3.2　计算工况点数据

为了便于计算结果的对比及提高计算的精度，在对ZZ500转轮进行CFD分析、计算时，将转轮直径统一为1.0m，同时计算水头也统一为10.0m。最优工况及额定工况的计算参数见表1：





4　计算结果及分析

4.1　CFD计算结果

　　在计算前首先将叶片从轮毂到轮缘按流函数差递增的原则划分成11个断面，这样网络划分时对叶片的几何尺寸控制相比于过去通常的7断面设计要严密和精确得多，因此相应的计算精度也大大地得到了提高。

将ZZ500转轮在桨叶角度φ=0°(对应最优工况)及桨叶角度φ=15°(对应额定工况)两种情况下进行了计算，计算控制区域为从导叶出口至尾水管的进口段，计算结果见表2。







4.2　ZZ500转轮流动分析

　　对ZZ500转轮在最优工况及额定工况的CFD计算结果进行较为详细的分析，得到了ZZ500转轮的内部流动的主要特点。

　　(1)最优工况下，转轮叶片表面的流速梯度变化和压力梯度变化比较均匀，叶片表面没有出现较大的脱流现象(图1和图2)，这表明叶片正、背面的曲率变化是均匀的。

　　(2)无论在最优工况或额定工况下，从轮毂断面到轮缘断面叶片正、背面的压力差值的幅度不大，这样表明原转轮的能量性能一般。

　　(3)叶片翼型各断面背面不同程度的存在逆压梯度，不仅叶片背面易产生脱流，而且流速较高，从而在多泥沙河流中产生较强的磨蚀。

　　(4)最优工况下，转轮叶片从轮毂到轮缘的所有区域其进水边背面沿流线的压力分布都不太理想，叶片头部，特别是靠近轮毂的断面都存在正冲角，这就显示叶片的进水边在适应来流上不理想，叶片的所有断面的安放角偏小，极易在叶片背面形成叶道涡。从能量性能上来说，其后果即是使得水流与叶片之间的碰撞损失增大，而大尺度的叶道涡也会带走大量的能量。

　　(5)叶片轮缘附近的叶栅稠密度1/t相对较大，使得叶片在大角度(如φ=15°，对应额定工况点)时，轮缘附近段面的进水边非常靠近导叶出口，从而导致进口流态较为恶化。

(6)叶片的所有断面的安放角偏小带来的另一个后果是最优工况和额定工况下的最低压力区都出现在叶片轮缘断面、中间断面及轮毂附近断面头部的背面（叶片的相对最小压力为0.58MPa，而实际运行的尾水位和压力参考点决定其绝对压力）：这与电站叶片严重的空蚀破坏的部位非常吻合。








　　通过流动计算结果的分析，东方电机认为对ZZ500转轮的水力性能上做一些改进工作，应该着眼于转轮进水边头部区域的适当修形，以减少或改善叶片头部区域严重的空蚀破坏等。

5　优化建议

　　通过流动计算结果的分析可见：ZZ500转轮总体来说，还属于性能较为优良的转轮，而且已在葛洲坝等大中型电站安全运行多年。借助于先进的CFD技术，对ZZ500转轮局部不合理的区域进行修型，应是目前能采用的最为可靠的方法。东方电机认为重点对各断面叶片的头部区域的型线做一定的修改，可以改善最优工况下转轮头部背面前段的压力分布和流速分布，从而达到改善叶片头部空蚀破坏的程度。

　　如果希望对ZZ500转轮的能量性能、汽蚀性能等有一个大幅度的提高，则需要对叶片的翼形、进水边的形状及出水边的形状都要做一定的调整，使三者的搭配尽可能合理，从而减少水流绕叶片的损失，降低水流在叶片易空蚀部位的流速，达到提高转轮的能量性能、汽蚀性能的目的。

6　ZZ500转轮局部优化后的主要性能分析

6.1　ZZ500转轮优化前后的性能对比

　　为了能直观的比较ZZ500转轮局部优化前后的能量性能，将计算的工况点统一起来，同时将各计算值统一换算到净水头H=10.0m，其最优工况点性能计算对比见表3，额定工况点性能计算对比见表4。

6.2　ZZ500转轮优化前后的性能对比分析

从CFD的计算结果及压力场、流速场的后处理分析结果来看，ZZ500转轮局部的优化取得了一定的效果：首先，优化转轮在最优工况点水力损失减少0.38％，相应的效率提高0.38％，叶片扭矩和功率也随之增大。其次，从压力分布来看，改型后叶片背面的最低压力系数提高约0.22，而且优化后转轮叶片背面的逆压梯度也有所减小，这对延缓空化汽泡的产生，降低背面边界层的二次流，改善叶型背面的空蚀起到了非常明显的效果；同时，由于增大了转轮叶片各断面的安放角，使得叶片进水边对导叶的出流适应性更好，压力、速度分布趋于合理，这对改善泥沙磨蚀也有一定的好处(图3～5)。最后，对额定工况对比计算显示，水力损失亦有减小的趋势。由于东方电机是在桨叶处于最优角度时局部修改翼型，额定工况下的性能改善，也证明这种修改的设想是合理的。


7　结束语

　　近10多年来，东方电机股份有限公司在轴流式水轮机转轮的水力研究和试验方面开展了大量的工作，特别是因三峡电站的建设而从国外引进全套的流体动力分析软件CFD后，公司的水力设计上了一个新的台阶。东方电机先后设计和引进了几十个性能优良的转轮，其研制的D587a、D587a厚、D32b、D51、D231、D179A已应用于迪什林、万安、大化、水东、江口、高坝洲、八盘峡等大中型水电站，取得了良好的效果，也积累了丰富的经验。针对葛洲坝水电站ZZ500转轮，今后如有可能，完全可以由新的性能优良的转轮来替换老转轮，使电站的各项经济性能指标得到更大幅度提高。