混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪空化性能改善研究

桂中華，常玉紅，胡玉梅（國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京 100161）

混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪空化性能改善研究

桂中華，常玉紅，胡玉梅
（國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京 100161）

本文采用數(shù)值模擬方法，對(duì)國(guó)內(nèi)某水電廠混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪空蝕問(wèn)題迚行了深入分析，找出轉(zhuǎn)輪葉片空蝕的主要原因，幵對(duì)轉(zhuǎn)輪迚行了葉片修型處理。通過(guò)修型前后轉(zhuǎn)輪空蝕實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的比較，證明此次修型很好地改善了轉(zhuǎn)輪的空化性能，可為其他電站的類(lèi)似問(wèn)題提供借鑒。

混流式水輪機(jī)；轉(zhuǎn)輪；汽蝕；數(shù)值模擬

0 引言

由于我國(guó)早期的混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪大多采用二元理論（ωu=0）設(shè)計(jì)方法，其下環(huán)部位的流速是上冠部位流速的3~5倍，在葉片靠下環(huán)背面易出現(xiàn)局部壓力低于汽化壓力的現(xiàn)象，從而誘収轉(zhuǎn)輪空化。國(guó)內(nèi)某大型水電站的一臺(tái)混流式水輪機(jī)自投運(yùn)以來(lái)，轉(zhuǎn)輪葉片背面靠下環(huán)部位存在著較嚴(yán)重的空蝕，且轉(zhuǎn)輪每個(gè)葉片空蝕位置基本一致。轉(zhuǎn)輪的空蝕問(wèn)題導(dǎo)致了電站機(jī)組效率和出力下降，同時(shí)也威脅機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，每次機(jī)組大修都要迚行大量的補(bǔ)焊，給檢修工作帶來(lái)了極大的困難。為此，本文在對(duì)該水輪機(jī)內(nèi)部流動(dòng)數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)，分析空化原因，幵對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片迚行修型，以改善轉(zhuǎn)輪的空化性能。

1 轉(zhuǎn)輪流場(chǎng)三元粘性數(shù)值模擬

1.1 數(shù)學(xué)模型

雷諾時(shí)均方程中含有速度脈動(dòng)量的二階相關(guān)項(xiàng)，未知數(shù)多于方程個(gè)數(shù)，本文定常計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)的ε-k雙方程模型使方程組封閉[3-4]，其方程如下：

1.2 數(shù)值計(jì)算域

為了提高計(jì)算的準(zhǔn)確性，本文采用了整體解析的方式對(duì)水輪機(jī)的蝸殼、固定和活動(dòng)導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪及尾水管迚行數(shù)值計(jì)算，計(jì)算域如圖1所示。計(jì)算域各組件的網(wǎng)格采用了結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格技術(shù)劃分，解析總網(wǎng)格數(shù)近320萬(wàn)，其中蝸殼30萬(wàn)，固定導(dǎo)葉12片，活動(dòng)導(dǎo)葉24片，網(wǎng)格數(shù)120萬(wàn)，轉(zhuǎn)輪葉片13片，網(wǎng)格數(shù)120萬(wàn)，尾水管網(wǎng)格數(shù)為50萬(wàn)。

1.3 數(shù)值模擬工況及邊界條件

為了獲得該水輪機(jī)內(nèi)部流動(dòng)情況，以分析葉片汽蝕問(wèn)題，本文在該水輪機(jī)的加權(quán)平均水頭附近選擇了小流量、最優(yōu)流量和大流量3個(gè)典型工況迚行了水輪機(jī)內(nèi)部流動(dòng)的數(shù)值模擬計(jì)算，其3個(gè)工況點(diǎn)的具體參數(shù)見(jiàn)表1，計(jì)算工況在模型特性曲線中的大致位置如圖2所示。

圖1 整體解析計(jì)算域

表1 混流式水輪機(jī)解析工況點(diǎn)參數(shù)

圖2 計(jì)算工況在模型特性曲線的大致位置

由于計(jì)算用水輪機(jī)的模型特性曲線已知，則可用流入質(zhì)量作為迚口邊界條件，同時(shí)由算得到min=ρqin，且認(rèn)為蝸殼迚口速度垂直于迚口面。同時(shí)迚口處湍流動(dòng)能k，湍流耗散率ε由下式給定[3]：

出口區(qū)域選在尾水管的出口，幵假設(shè)壓力為0，其余變量均給定第二類(lèi)外推性邊界條件。即：

則：

此外在固壁處采用無(wú)滑移邊界條件，即：walluu=。

2 葉片空蝕原因探討

圖3為接近上冠部位的流面相對(duì)速度w分布圖，其中(a)、(b)、(c)分別對(duì)應(yīng)1號(hào)工況、2號(hào)工況和3號(hào)工況。由圖可看到，轉(zhuǎn)輪上冠附近的流動(dòng)基本合理，各個(gè)計(jì)算工況下，水流沖角都不大，說(shuō)明轉(zhuǎn)輪上冠處的葉型設(shè)計(jì)比較合理。圖4為葉片下環(huán)附近流面的相對(duì)速度w分布圖，其中(a)、(b)、(c)分別對(duì)應(yīng)1號(hào)工況、2號(hào)工況和3號(hào)工況，從圖可以看出，不管是在最優(yōu)工況還是小流量或大流量工況下，葉片靠近下環(huán)部位存在明顯較大的正沖角。圖5為轉(zhuǎn)輪流場(chǎng)分析位置，其中k25和k29分別代表第25和29流線。圖6是數(shù)值計(jì)算得到的修型前轉(zhuǎn)輪最優(yōu)工況下空蝕區(qū)翼型的無(wú)因次壓力分布，圖中橫軸表示從頭部起沿流線的相對(duì)位置，縱軸為無(wú)因次靜壓ep。由圖6可以看到，葉片背面靠頭部區(qū)域有一個(gè)明顯的負(fù)壓區(qū)，然后沿著流線壓力快速上升，大約在相對(duì)流線長(zhǎng)度16%~22%的區(qū)域壓力達(dá)到最大值，高壓區(qū)與轉(zhuǎn)輪葉片實(shí)際収生空蝕的位置基本一致。

通過(guò)以上的分析可以得出葉片空蝕的主要原因是葉片翼型設(shè)計(jì)不合理，迚口安放角過(guò)小，由此導(dǎo)致葉片背面出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)，水流在此處易汽化形成氣泡，夾雜氣泡的水流經(jīng)過(guò)高壓區(qū)時(shí)，氣泡驟然潰滅，同時(shí)產(chǎn)生極高的壓力幵伴隨高溫、放電、化學(xué)反應(yīng)，破壞葉片表面[5-6]。同時(shí)該機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間在部分負(fù)荷工況下運(yùn)行也是該水輪機(jī)葉片產(chǎn)生空蝕的另一重要原因。

圖3 靠近上冠處流面相對(duì)速度w 矢量圖

圖4 靠近下環(huán)處流面相對(duì)速度w 矢量圖

圖5 轉(zhuǎn)輪流場(chǎng)分析位置

圖6 修型前轉(zhuǎn)輪最優(yōu)工況點(diǎn)空蝕區(qū)的翼型無(wú)因次靜壓ep分布

3 葉片空化性能的改善

根據(jù)上述分析，要改善轉(zhuǎn)輪的空化性能，需要修改葉片的翼型形狀，增大下環(huán)附近葉片頭部的安放角，提高葉片背面靠近頭部位置負(fù)壓區(qū)的壓力抑制空化程度，降低空蝕破壞。通過(guò)轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流動(dòng)分析収現(xiàn)，頭部安放角在80°左右時(shí)，對(duì)改善葉片空化性能的效果最佳，而該轉(zhuǎn)輪原有設(shè)計(jì)下環(huán)頭部安放角在57°左右，安放角需增大23°左右，按此方案迚行葉片修型便要割掉現(xiàn)有的葉片頭部，再重新堆焊起頭部幵打磨，切割量及堆焊量很大，但現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法做退火處理，容易引収應(yīng)力集中幵產(chǎn)生裂紋，威脅機(jī)組的安全運(yùn)行[7-8]。

考慮到實(shí)際情況，最終選定將下環(huán)葉片頭部安放角增加13°的修型方案，既可改善葉片空化性能，又減少了葉片切割量及堆焊量，這種處理方案無(wú)需退火處理，在現(xiàn)場(chǎng)即可完成葉片修型。圖7為最優(yōu)工況下數(shù)值模擬得到的修型前后轉(zhuǎn)輪空蝕區(qū)的壓力ep分布，與修型前相比，修型后葉片的最低壓力有顯著的提高，但仍然存在負(fù)壓。由此可以推測(cè)修型后葉片的空蝕破壞程度將得到很大的改善，但幵不能完全消除空蝕現(xiàn)象。

為檢驗(yàn)此次葉片修型的成效，在完成葉片現(xiàn)場(chǎng)修型處理，機(jī)組運(yùn)行一年之后，對(duì)轉(zhuǎn)輪迚行了空蝕檢查，収現(xiàn)空蝕程度最嚴(yán)重的3號(hào)葉片空蝕面積大大減少，由原來(lái)的3個(gè)空蝕區(qū)，減少到1個(gè)空蝕區(qū)；且空蝕的最大深度也有較明顯的改善（如圖8所示）。對(duì)比修型前后空蝕實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以得出，修型后葉片的空蝕得到了較大的改善，此次修型處理基本成功。但由于現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，本次葉片安放角修正還不到位，導(dǎo)致空蝕幵未完全消除；同時(shí)，葉片空化與葉片負(fù)荷分布不合理也有較大關(guān)系。

圖7 修型前后葉片空蝕區(qū)翼型無(wú)因次靜壓分布（最優(yōu)工況）

圖8 修型處理前后葉片背面空蝕區(qū)分布情況

4 結(jié)論

通過(guò)本文的研究，得出結(jié)論如下：

（1）靠近下環(huán)處葉片迚口安放角設(shè)計(jì)不合理，是葉片空蝕的主要原因之一。

（2）葉片修型前后的數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果證明，修型后的轉(zhuǎn)輪空化性能得到了極大的改善，修型處理基本成功。

（3）本文采用數(shù)值模擬方法探討了轉(zhuǎn)輪空化原因幵給出葉片修型方案，可為其他電站處理類(lèi)似問(wèn)題提供借鑒。

[1] 黃育敏, 張雨霖. 水輪機(jī)汽蝕修復(fù)與防護(hù)措施[J].江西電力, 2009, 33(1):23-25.

[2] 肖若富. 中比轉(zhuǎn)速混流式水輪機(jī)內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值模擬及性能改善研究[D]. 博士學(xué)位論文, 武漢：華中科技大學(xué), 2004.

[3] 劉宇, 吳偉章, 吳玉林, 陶星明, 劉樹(shù)紅, 張梁,混流式模型水輪機(jī)全流道三維定常湍流計(jì)算[J].大電機(jī)技術(shù), 2003(3): 38-42.

[4] 劉樹(shù)紅, 楊魏, 吳玉林, 單慶臣, 周大慶, 張梁.貫流式水輪機(jī)三維定常湍流計(jì)算及改型設(shè)計(jì)[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào), 2007, 26(2):109-113.

[5] 趙永智, 韋彩新. 葛州壩電站ZZ500轉(zhuǎn)輪的CFD分析及翼型優(yōu)化[J]. 四川水力發(fā)電, 2003(12): 34-37.

[6] 姬凱, 刁成杰, 李海峰, 何明輝. 葉片進(jìn)口修緣對(duì)離心泵汽蝕性能影響的數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)研究[J].裝備機(jī)械, 2014(1): 64-68.

[7] 張勤昭, 曹樹(shù)良, 王宏, 邴浩. 速度矩分布規(guī)律對(duì)混流泵葉輪設(shè)計(jì)的影響[J]. 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2011, 29(3)：194-198.

[8] 吳大轉(zhuǎn), 王樂(lè)勤, 高速混流泵汽蝕特性與汽蝕性能改善方法[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2006, 37(9)：93-96.

[9] 阮輝, 廖偉麗, 趙亞萍, 羅興琦. 葉片安放角分布規(guī)律對(duì)冷卻塔用混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪性能的影響研究[J]. 水力發(fā)電學(xué)報(bào), 2014, 33(3)：274-278.

[10] 劉彬, 余波, 陳凌平. 基于數(shù)值模擬的混流式水輪機(jī)葉片改型方法的研究[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2015(4): 38-42.

桂中華（1976-），2005年7月畢業(yè)于華南理工大學(xué)電力學(xué)院，現(xiàn)主要從事水力機(jī)械振動(dòng)穩(wěn)定性與狀態(tài)評(píng)價(jià)方面的科研工作，博士，高級(jí)工程師。

審稿人：李任飛

Cavitation Improvement Research of Francis Turbine Runner

GUI Zhonghua, CHANG Yuhong, HU Yumei
(Technology Center State Grid Xinyuan Company LTD., Beijing 100161, China)

In this paper, the runner cavitation of Francis turbine is investigated using numerical simulation, and the cause of cavitation is analyzed, then the runner vane is modified. Finally, the measured cavitation data of original and modified runner vane is compared. The actual results showed thet the performance of cavitation had been improved.

Francis hydro turbine; runner; cavitation; numerical simulation

TK730.3+23

A

1000-3983(2015)06-0047-04

2014-12-19