2　通流部件的优化设计

水轮机组是一个有机整体，优秀的水轮机转轮应有性能良好的通流部件与之配合。为适应南欧江六级电站的现场条件和设备接口，对JF3011水轮机通流部件进行二次优化设计，以保证其整体优良的水力性能是十分必要的。

2.1　蜗壳的优化设计

蜗壳是水轮机组的重要组成部件，合理的蜗壳内部流动对于提高水轮机组效率、稳定性及改善水轮机性能都有重要意义[4]。水轮机蜗壳水力设计的传统方法主要有等速度矩法和等周向平均速度法[5]：等速度矩法设计得到的蜗壳出流理论上均匀轴对称，但蜗壳除进口10%以外的大部分包角内的过流面积偏小，液流摩擦损失较大；等周向平均速度法设计得到的蜗壳断面较宽，水力损失小，有利于大流量工况时的水流流动，但出流角沿周向不等于常数，导水机构进口环量沿周向分布不平均，需要不同叶型的固定导叶进行修正。其他广泛采用的方法还有变速度矩法、变周向平均速度法和给定断面面积规律法等[6-7]，这些方法运用得当，将使蜗壳中流体的预想流动状态更符合实际情况，其缺点与等周向平均速度法相同。

原JF3011模型水轮机蜗壳是按传统的等速度矩法设计的，蜗壳进口直径为456.1mm。南欧江六级水电站水轮机蜗壳进水阀直径为4800mm，换算至模型为448mm。设计时蜗壳进口段直径取448mm，优化设计方法采用变速度矩法，以蜗壳水力损失最小为目标。先假定速度矩按给定规律变化，获得蜗壳型线初步方案，利用数值模拟技术对其内部流动进行分析。根据模拟结果调整速度矩分布规律，再迭代计算，直到获得满意的流态分布和最小的水力损失。结合断面面积变化规律法，对蜗壳引水段、隔舌型线及尾部段进行了局部优化，使蜗壳沿圆周方向的平均出口水流角的差异控制在合理的范围内，确保固定导叶获得较好的来流条件，减小蜗壳和固定导叶的水头损失，保证活动导叶均匀进水。最终完成的模型蜗壳如图1（b）所示。

图1　JF3011-35模型水轮机改型前后全流道对比

2.2　尾水管的优化设计

尾水管的主要作用是回收转轮出口处水流的部分剩余能量。尾水管的型线对中、高比转速混流式水轮机的效率和水力稳定性的影响非常明显[8]。

混流式水轮机偏离最优工况运行时，水流从转轮叶片出口流入尾水锥管时易形成涡带，涡带的形式随着水轮机工况的变化而改变。该涡带在自转和公转的同时，在涡心部分形成负压并周期性地撞击尾水管边壁甚至底板，引起机组的振动和噪声，严重者使机组不能安全稳定地运行。试验研究证明，这种现象会随着尾水管深度的不足而变得更加剧烈[9-10]。因此，在设计混流式水轮机尾水管时，不但应该考虑尾水管恢复系数的提高，还要关注其对机组运行稳定性的影响[11-12]。

JF3011模型原尾水管与JF3011转轮相配表现出了优良的水力性能。由于南欧江六级水电站厂房布置对尾水管有宽度方向的尺寸限制，为满足厂房布置要求和机组的整体性能，对尾水管重新进行了优化设计。在电站限制条件下，初步确定尾水管外形尺寸：维持原尾水锥管型线；参考原尾水肘管面积变化规律修改肘管外形轮廓线，将原宽扁型肘管断面变形为窄高型，尽量加大肘管高度方向尺寸，出口宽度与受限变窄的扩散段宽度一致；扩散段在肘管出口与尾水闸门间平顺过渡。经过不断改型设计、计算结果分析和方案比较，以尾水管内部流场均匀、损失最小为原则，确定尾水管流道形状和几何尺寸，最终的尾水管如图1（b）所示。