贵辛未 牧振伟 夏庆成 李泽发 张治山

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052; 2.新疆水利工程安全与水灾害防治重点实验室，乌鲁木齐 830052;3.新疆天富能源股份有限公司红山嘴水电厂，石河子 832000)

在设计和改造混流式水轮机过程中，采用合理的上冠泄排水降压结构对其运行效率和主轴密封性能的提高具有显著影响。电站为降低水轮机上冠顶部水压力常采取多类结构措施，从而达到改善主轴密封工作条件以及减小转轮轴向水推力的目的。

近年来，电站在实际运行中发现各类上冠泄排水降压结构均存在一定优缺点，不同型号水轮机上冠泄漏水的排泄方式也不同。水轮机上冠流道的泄漏水为间隙流动，国内外学者在该方面的研究取得了一些成果[1-2]，研究内容主要集中在顶盖取水技术应用是否成功、上冠间隙泄漏水对水轮机性能的影响[3-7]。

目前诸多学者多以某一类特定且单一的上冠降压结构作为研究对象，探究上冠间隙流动对水轮机性能的影响，而对不同工况下常见的上冠泄排水降压结构措施统筹考虑，分析各类结构对水轮机性能影响及其联合降压效果的研究较少。

随着计算机的发展，目前采用计算流体动力学(CFD)模拟水轮机间隙流动的技术已较为成熟[8-14]，故本文利用CFD技术，结合红山嘴水电站工程实例，将4类不同的混流式水轮机上冠泄排水降压结构作为研究对象，建立不同的流体计算域模型，探究不同类型结构对上冠流道内泄漏水流态、主轴密封压力、上冠轴向水推力以及梳齿环密封能力的影响。

1.1 技术参数及结构模型

本文以新疆红山嘴一级电站4号水轮机为例，其主要技术参数：设计水头为104 m，单机流量为17.28 m3/s，额定转速为375 r/min，单机容量为 16 MW。

目前国内外混流式水轮机上冠泄排水降压结构主要可归为4类：仅在顶盖上方设置排水管、仅在上冠开设泄水孔、上冠泄水孔和顶盖排水管联合降压结构、上冠增设转轮泵的联合降压结构。以上4类结构的剖面图如图1所示。

图1 不同上冠泄排水降压结构图

1.2 实验方案

本文将不同的转轮上冠降压结构作为研究对象，针对4类结构在7种流量下展开数值模拟。根据上冠间隙的进口特点，不同流量可由泄漏水进入上冠间隙前的轴向速度来反映，轴向速度Vz取15、17、19、21、23、25、27 m/s，故计算工况共计28个。

1.3 计算域模型及网格划分

现阶段红山嘴水电站4号机组上冠降压措施为第Ⅳ类结构，如图2所示。根据真机几何参数，建立4类不同的转轮上冠降压结构计算域模型，因转轮上冠腔体内的泄水孔、顶盖排水管以及泵叶均为对称布置，故可取转轮上冠1/4的单流道作为计算域，同时可节省运算资源，提高工作效率。不同计算域模型如图3所示。

图2 真机结构模型

图3 不同降压结构的计算域模型

针对4类不同的计算域模型，均利用ICEM软件对其各自的部件进行结构化六面体网格划分，最后再组装[15-18]。网格划分过程中考虑到转轮上冠为环形结构，采用了2D转3D块的方法，避免了繁琐的“O” 型网格关联，并形成了0.8以上的高质量网格。另外对计算域模型1.5 mm密封间隙作局部加密处理，与其周围网格以Bigeometric方式1.2比例进行光滑过渡。因第Ⅳ类泄排水降压结构最为复杂，故以此为例，显示计算域网格划分效果，如图4所示。

图4 第Ⅳ类结构网格划分图

正式计算前需对所有计算域模型进行网格无关性检验。以第Ⅳ类结构为例，当其网格节点为4.629 3×106时，主轴密封下侧压力、上冠轴向水推力、梳齿环进出口压差3个指标变化范围均在2.1%以内，满足计算要求，如图5所示。另外，因其他类型计算域模型结构各不同，故划分网格过程中，将各结构包含的每个部件按与第Ⅳ类结构各部件网格数量保持一致处理，即可避免因网格数量造成仿真误差。

图5 网格无关性检验

1.4 边界条件

根据水电站实测数据等资料，以水轮机额定水头104 m和额定转速375 r/min下最大输出功率为计算工况。

入口边界：由于转轮上冠流道内的泄漏水均来自上冠间隙和主轴密封，故4类模型的入口条件相同。设置主轴密封下侧进口流量Q为零、上冠间隙设置为速度进口，泄漏水在进入上冠间隙前包括圆周速度Vu和轴向速度Vz，根据顶盖取水公式[19-20]

(1)

(2)

式中Hth——理论水头g——重力加速度

u1——转轮进口泄漏水的圆周速度

ΔH——间隙两端压力差

η——间隙进口圆角系数，一般取0.5～0.9

λ——沿程阻力系数

L——间隙长度b——间隙宽度

经计算，Vu为定值28 m/s；
Vz取15、17、19、21、23、25、27 m/s，该范围已包含正常工况下所有泄漏量。

出口边界：因4类转轮上冠泄排水降压结构的出口形式不尽相同，故出口边界需单独设置。Ⅰ类结构因仅有顶盖排水管出口，故其出口设置为 0.1 MPa 的开放式边界；
Ⅱ类结构出口仅有泄水锥，根据尾水出口位置建立伯努利方程，可求得泄水锥出口开放式边界条件的压力为0.007 408 MPa；
Ⅲ 类结构作为Ⅰ类结构和Ⅱ类结构的联合降压措施，其包括顶盖排水管和泄水锥两个出口，分别设置为 0.1 MPa 和0.007 408 MPa的开放式边界条件；
Ⅳ类结构较Ⅲ类结构主要增加了转轮泵，对整个计算域出口并无影响，故其采用与Ⅲ 类结构相同的出口边界条件。

壁面边界：壁面条件采用无滑移边界条件。

其他边界：各降压结构计算域所涉及到的动静交界面均采用冰冻转子法[21-22]。另外计算收敛精度设置为10-4。

为表达计算域边界条件具体位置，以第Ⅳ类结构为例进行说明，如图6所示。

图6 第Ⅳ类结构计算域边界条件

为验证模型可靠性，以该电站现阶段采用的转轮泵降压结构(Ⅳ类结构)为例，设置上述边界条件数值计算。以顶盖排水管出口压力为验证指标，数值计算结果0.592 MPa与现场实测值0.580 MPa相比，相对误差为2.07%，模拟结果与电站实测值吻合，符合计算要求，故在此基础上，再对其他各类型的降压结构数值模拟。通过对比分析，重点探究各结构的优缺点以及转轮上冠联合降压结构优化的可行性。

2.1 流态分布

为探究混流式水轮机不同泄排水降压结构对上冠流道内泄漏水流态的影响，首先将4类结构在不同泄漏量下(Vz=15 m/s、Vz=21 m/s、Vz=27 m/s)的流速场进行对比分析，如图7～10所示。

由图7可知，随着上冠间隙泄漏量的增加，梳齿环出口前的流态变化较小，集中表现为泄漏水在经过上冠间隙时动能增大，随后进入梳齿环腔内后形成典型的旋涡会消耗大部分能量。当泄漏水从梳齿环出口流出时，因上冠流道断面面积逐渐增大，泄漏水动能会逐渐降低，呈内低外高阶梯式分布。

图7 仅顶盖排水管降压结构二维流线图

另外泄漏量的增加对转轮上冠流道高压区域影响较大。主要表现为在高压区域会形成两个大小不同的旋涡。当泄漏量较小时，内侧旋涡较大，随着泄漏量的增加，外侧旋涡会逐渐占据上冠高压区域，呈现出向内侧移动趋势，这是因为泄漏水受到无滑移壁面边界层的影响，产生的不均匀逆压力梯度导致回流现象。

由图8可知，随着上冠间隙泄漏量的增加，仅含泄水孔单一降压结构的梳齿环进出口流态分布情况与仅含顶盖排水管单一降压结构的类似。主要区别表现为泄漏水在泄水孔内呈螺旋状流入泄水锥，且因转轮的高速旋转使得泄漏水进入泄水锥后流态更为紊乱，此过程中流速整体呈逐渐减小趋势。

图8 仅泄水孔降压结构二维流线图

由图9可知，泄漏水在上冠流道局部高压区形成一个较大旋涡且涡量随Vz的增大而增大，在进入泄水锥后流态基本相同。在顶盖排水管和泄水孔的双重作用下，泄漏水在上冠流道内及泄水锥内部流速会有所降低，但水力损失仍然较大。该结构较单一形式的降压结构具有更好降压效果及稳定性。

图9 顶盖排水管和泄水孔联合降压结构二维流线图

由图10可知，上冠增设了转轮泵(泵叶和泵盖)，对上冠空腔泄漏水流态有显著影响。泄漏水首先经梳齿环后沿着泵盖上腔进入泵盖下腔，随后泄漏水分为两个途径排出，其中一路在转轮泵泵叶加压作用下经顶盖排水管排出，另一路经泄水孔进入泄水锥流出且流态稳定。

图10 含转轮泵联合降压结构二维流线图

随着泄漏量的增加，上冠流道内泄漏水流态整体变化较小，这主要因在多项联合降压措施下，上冠流道内压力重新分布，使得泄漏水被高效稳定排出。同时由于转轮泵的离心作用，降低了主轴密封下侧压力，来自主轴密封腔体内的泄漏水更易被吸入泵腔并及时排除，因此含转轮泵的泄排水降压结构不仅可降低水轮机轴向水推力还可延长主轴密封的使用寿命。另外，可发现若进一步调整转轮泵的泵叶或泵盖的参数将更接近优化目的。

2.2 主轴密封压力分析

水轮机主轴密封漏水是电站常见难题。尤其对泥沙量较大的红山嘴电站而言，最突出的问题就是主轴密封使用寿命很低，洪水期维修频率高达每周一换，严重影响运行效率。该一级电站采用转轮泵结构泄排水降压装置后表现出理想效果。不同泄排水降压装置对主轴密封的影响不容忽视，因此本文将主轴密封下侧压力作为研究指标之一。主轴密封下侧绝对压力用p1表示，该值越小说明越有利于主轴密封处更多泄漏水被吸入上冠空腔内，对主轴密封工作环境越有利。

不同泄排水降压结构的主轴密封下侧压力变化特性曲线如图11所示。

图11 主轴密封下侧压力变化特性曲线

由图11可知，4类不同的转轮上冠泄排水降压方式所引起的主轴密封压力均随Vz的增大呈增长趋势，说明无论哪类结构，泄漏量的增加对主轴密封压力均不利，轴向速度Vz是影响主轴密封腔体压力的直接因素，水电站在主轴密封改造过程中可采取减小上冠间隙尺寸等措施解决漏水问题。将4类不同降压结构在不同泄漏量下对主轴密封压力的影响对比可知，仅顶盖排水管或仅泄水孔的单一降压结构的主轴密封下侧压力，随着泄漏量的增加平均变化幅度较为明显，分别为58%和68%，而顶盖排水管及泄水孔联合结构或含转轮泵降压结构的主轴密封压力平均变化幅度较为平缓，仅为37.6%和39.8%，可见在不同泄漏量下，后者更有利于主轴密封压力稳定。

另外，在同一泄漏量下将4类不同降压结构对主轴密封压力的影响进行对比，可发现降压效果从优到劣依次为：转轮泵降压结构、顶盖排和泄水孔联合泄排水降压结构、仅泄水孔降压结构、仅顶盖排水管降压结构。诸多电站采用含转轮泵的降压结构对改善主轴密封工作条件显出一定优势，因为来自主轴密封以及上冠间隙的泄漏水经转轮泵泵叶区加压后，经顶盖排水管可快速排出；
另外，上冠流道低压腔未及时排除的多余泄漏水又可通过泄水孔下泄至泄水锥，最后经泄水锥排至尾水，转轮泵降压结构的双重作用使得主轴密封下侧长期保持较低压力，更有利于主轴密封的泄漏水及时排出。顶盖排水管和泄水孔联合泄排水降压结构与含转轮泵的降压结构相比降压效果平均下降15.98%，这是因为缺少转轮泵的加压作用，该结构对于含泥沙量较大的机组不建议使用。仅顶盖或仅泄水孔的单一降压结构对主轴密封降压效果较差，这主要因为开孔数量或几何结构参数不合理，导致泄漏水不能被及时排出，甚至还会经主轴密封腔体出现上溢。

经对比可知，混流式水轮机转轮上冠增设转轮泵对主轴密封寿命的提高具有显著作用，尤其对于含泥沙量较大的机组更为适宜。

2.3 上冠轴向水推力对比分析

降低水轮机轴向水推力可减轻其轴承负荷，延长轴油封及轴承使用寿命，故不同泄排水降压结构对水轮机上冠轴向水推力的影响也是该研究的重要指标。

水轮机上冠轴向水推力用F表示(规定向下为正方向)，该值越小说明上冠空腔内的水压越低，更利于降低上冠轴向水推力。不同泄排水降压结构的上冠轴向水推力变化特性曲线，如图12所示。

图12 上冠轴向水推力变化特性曲线

由图12可知，随着泄漏量的增加，4类不同泄排水降压方式所引起的上冠轴向水推力均呈增长趋势。尤其仅顶盖排水管降压结构引起的上冠轴向水推力较大且平均变化幅度为17.1%，原因是顶盖排水口数量不足或孔径过小，泄漏水进入上冠空腔后因顶盖排水管的限制不能被及时排除，在上冠空腔内大量累积，从而大幅度增大了向下的轴向水推力；
同时说明若采用此降压结构需通过增加梳齿环的密封性能或减小上冠间隙宽度的措施来满足降压要求。

在相同泄漏量下，仅泄水孔降压措施与仅顶盖结构降压措施相比所引起的上冠轴向水推力较小，但不是最优，这主要是因泄水孔数量或安置角度不适引起的，以上两类单一的泄排水降压措施对减小转轮上冠轴向水推力效果一般，故工程中常采用顶盖排水和泄水孔联合的泄排水降压措施，其效果突出且轴向水推力受泄漏量影响的平均变化幅度为11.03%。

对于含转轮泵结构的泄排水联合降压措施，由于其泵叶的增压作用提高了上冠空腔泄漏水的排出效率，它较一般的联合降压结构可使上冠轴向水推力平均降低52.99%。另外，该结构引起的上冠轴向水推力受泄漏量的变化影响较小，平均变化幅度仅达3.12%。随着电站运行，转轮上冠间隙必会增大，从而致使泄漏量增加，而含转轮泵的泄排水降压结构较其他降压结构产生的轴向水推力不会出现较大幅度波动，更有利于机组稳定运行，故建议在中高水头混流式水轮机组上推广使用含转轮泵的泄排水联合降压结构。

2.4 梳齿环进出口压差分析

水轮机上冠轴向水推力以及主轴密封压力均与经梳齿环的泄漏水量有直接联系，为增强梳齿环密封性能，从根本上减少泄漏水量，提高水轮机运行效率，故将4类不同的上冠泄排水降压结构对梳齿环进出口压差的影响作为研究指标之一。

梳齿环进出口压差用p2表示，该值越小，说明越不利于间隙泄漏水进入上冠空腔。不同泄排水降压结构的梳齿环进出口压差变化特性曲线如图13所示。

图13 梳齿环进出口压差变化特性曲线

由图13可知，4类不同的上冠泄排水降压方式所引起的梳齿环进出口压差均随着轴向速度Vz的增加呈较大幅度增加，可见上冠间隙泄漏水量严重影响梳齿环的密封性能。另外，不同泄排水降压结构在同一泄漏量下的梳齿环进出口压差变化幅度很小且稳定，这说明无论采用4类泄排水降压结构的何种类型对梳齿环进出口压差造成的影响均较小，故在实际工程中若要增强梳齿环的密封性能，从根本上减少上冠间隙泄漏量，还需在梳齿环自身结构上采取改造措施才可达到优化目的。

考虑到不同上冠泄排水降压结构对梳齿环进出口压差的影响较小且红山嘴电站主要是以提高水轮机主轴密封性能以及减小上冠轴向水推力为改造目标，故采用含转轮泵的泄排水降压结构为最优方案。

(1)中高水头混流式水轮机不同的泄排水降压结构对上冠流道泄漏水流态分布存在一定差异，主要集中在高压腔和泄水锥区域，另外，含转轮泵的联合降压结构较其他结构流态更加稳定。

(2)在中高水头混流水水轮机上冠采用含转轮泵的联合降压措施对降低主轴密封内腔压力、减小上冠轴向水推力、减少上冠间隙泄漏量具有显著效果。

(3)针对新疆红山嘴一级电站主轴密封漏水问题，建议电站采用含转轮泵的联合泄排水降压结构，该结构可使主轴密封下侧压力平均降低15.98%左右，更有利于泄漏水被吸入上冠空腔，延长主轴密封的使用寿命。

(4)该电站机组采用含转轮泵的联合降压结构，可使上冠轴向水推力平均降低52.99%左右，有效降低主轴轴承及轴油封的磨损程度。

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