轴向液压涡轮机在上下部分负荷工况下的数值模型验证与流动特性研究

为应对水力涡轮机在部分负荷(PL)工况下因旋转涡绳(RVR)引发的压力脉动和效率下降问题，研究人员通过数值模拟与实验验证相结合的方法，揭示了轴向涡轮在上下部分负荷(UPL/LPL)工况下的流动特性差异，发现LPL工况下罕见的双螺旋涡绳结构是导致压力脉动加剧的关键因素，为优化涡轮机设计提供了重要理论依据。

　　

随着可再生能源占比提升，水力涡轮机需频繁在非设计工况运行以平衡电网波动。然而部分负荷(PL)工况下，导叶开度减小会导致转轮出口产生残余涡流，在尾水管内形成旋转涡绳(RVR)，引发压力脉动、效率下降甚至设备疲劳损伤。尽管RVR现象在混流式涡轮机中研究较多，但轴向涡轮的RVR特性及其在上下部分负荷(UPL/LPL)工况下的差异仍不明确。

针对这一知识空白，瑞典吕勒奥理工大学的研究团队开发了轴向涡轮数值模型，结合Vattenfall实验室的实验数据，系统分析了Porjus U9卡普兰涡轮机在导叶开度α=16°(LPL)和20°(UPL)时的流动特性。研究发现：LPL工况下RVR呈现罕见的双螺旋结构，其起源于转轮锥体上部的流动分离区，而UPL工况仅在下部单侧分离；通过三重分解和能量平衡分析，证实LPL工况下湍流生产更强烈且分布更广，导致压力脉动幅值比UPL高11%，液压效率下降9.1%。该成果发表于《Next Research》。

研究采用15.3M网格单元的CFD模型，运用SAS-SST湍流模型闭合URANS方程，时间步长对应5°转轮旋转。通过Richardson外推法验证了网格独立性，采用瞬态转子-定子接口处理多域耦合。实验数据来自符合IEC60193标准的模型测试台，包含850转以上的压力脉动监测。

4.1 模型验证
数值模拟与实验的流量、扭矩和效率误差均<1.1%，但压力脉动幅值存在42%-110%的高估。LPL工况下双螺旋RVR的频率1.59f_r
与叶片应变测量结果吻合，证实了数值模型的可靠性。

4.2 详细分析
流动模态差异：UPL工况下PM(轴向脉动)与RM(周向旋转)幅值相当，而LPL工况RM占主导。双螺旋RVR导致LPL工况出现显著的二次谐波(0.41f_r
)。
能量耗散机制：LPL工况的湍流生产达16,900 Pa，比UPL高61%，且分布区域更广。三重分解显示LPL的湍流脉动分量幅值比UPL高85%。
结构相互作用：UPL工况RVR延伸至尾水管弯头，引发内径侧周期性流动分离/再附着，而LPL工况RVR主要环绕滞止区旋转。

这项研究首次揭示了轴向涡轮在LPL工况下的双螺旋RVR特性，阐明了其通过增强湍流生产导致效率下降的机理。数值模型虽在压力幅值预测上存在局限，但成功捕捉了关键流动特征。研究为开发基于导叶个体控制的RVR抑制策略奠定了基础，未来可结合机器学习优化控制方案。该成果对提升水电机组调频能力、延长设备寿命具有重要工程价值。