基于CFD的映秀灣電站過流部件的分析

卿 彪，楊 軍，唐 軍，張富成

(國網(wǎng)四川省電力公司映秀灣水力發(fā)電總廠，四川 都江堰 611830)

0 引 言

映秀灣電站在經(jīng)過多年運(yùn)行之后，尤其是在經(jīng)過地震和泥石流災(zāi)害之后，映秀灣電站水輪機(jī)機(jī)組的效率和穩(wěn)定性都降低，空化空蝕現(xiàn)象特別嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了機(jī)組穩(wěn)定和高效運(yùn)行。因此，為了提高機(jī)組的性能，從而確保機(jī)組穩(wěn)定，高效的運(yùn)行，有必要對映秀灣電站的水輪機(jī)組進(jìn)行改造。在對映秀灣電站水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪進(jìn)行優(yōu)化分析之后，選擇了一個(gè)適合于映秀灣電站的高效的轉(zhuǎn)輪A606c。

為了確定新選擇的轉(zhuǎn)輪是否符合映秀灣電站水輪機(jī)組的尺寸，以及運(yùn)行中對水流流態(tài)的影響，就有完全必要對映秀灣電站原有的過流部件進(jìn)行分析，從而確定新選擇的轉(zhuǎn)輪與過流部件在尺寸上是否匹配，從而找出原過流部件是否有需要進(jìn)行修型的部位，

從而確保機(jī)組的振動(dòng)和擺度合理，轉(zhuǎn)輪與過流部件的空化性能良好。進(jìn)而達(dá)到映秀灣電站水輪機(jī)改造的目的，提高整個(gè)機(jī)組的運(yùn)行效率。

映秀灣電站的過流部件主要有蝸殼，固定導(dǎo)葉，以及活動(dòng)導(dǎo)葉，這些部件都是埋設(shè)部件，因此此次分析采用的手段只能是數(shù)值模擬，也就是利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)。故而此次計(jì)算分析主要集中在蝸殼，固定導(dǎo)葉，活動(dòng)導(dǎo)葉。如表1所示為原水輪機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)。

1 控制方程

為了使得此次計(jì)算更加的合理，本次計(jì)算先對蝸殼和固定導(dǎo)葉進(jìn)行計(jì)算，而后對固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉進(jìn)行聯(lián)合計(jì)算。在計(jì)算過程當(dāng)中涉及的基本控制方程如下[1-3]：

連續(xù)方程：

表1 原水輪機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design parameters of raw water turbine

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

RNGk-ε模型：1986年Yakhot和Orszag提出RNGk-ε模型。Renormalization Group(譯為重正化群)的縮寫為RNG。修正后的k方程和ε方程形式分別如下：

式中：μt=ρCμκ2/ε為湍流黏度；μeff=μ+μt為有效黏性系數(shù)；μt分析了旋轉(zhuǎn)葉輪式流體機(jī)械流場效果。

2 CFD計(jì)算

2.1 蝸殼與固定導(dǎo)葉的CFD計(jì)算

蝸殼是水流進(jìn)入水輪機(jī)的第一個(gè)部件，同時(shí)它將水流引向?qū)畽C(jī)構(gòu)并進(jìn)入轉(zhuǎn)輪區(qū)，因此在電站的改造后應(yīng)當(dāng)盡量減少水流在蝸殼當(dāng)中的水力損失，同時(shí)保證水流能夠均勻、軸對稱地進(jìn)入蝸殼，提高機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性[4]。映秀灣水電站在重新選擇了新轉(zhuǎn)輪之后，新轉(zhuǎn)輪的尺寸和舊轉(zhuǎn)輪的尺寸有一定的差異，因此有必要對現(xiàn)有的蝸殼和固定導(dǎo)葉進(jìn)行優(yōu)化分析，而用數(shù)值方法研究蝸殼內(nèi)部流場已經(jīng)成為改進(jìn)和優(yōu)化蝸殼與固定導(dǎo)葉設(shè)計(jì)的一個(gè)重要的手段[5]。

利用三維建模軟件UG對映秀灣電站蝸殼進(jìn)行三維建模[6]，ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖1所示，將劃分好的網(wǎng)格導(dǎo)入CFX軟件當(dāng)中進(jìn)行計(jì)算，此次計(jì)算工況取Q11=650 L/s(最優(yōu)工況附近單位流量)和Q11=750 L/s(額定工況附近單位流量)，額定工況下蝸殼的計(jì)算結(jié)果如圖1-4所示。

圖1 蝸殼三維實(shí)體圖Fig.1 Three dimensional solid diagram of the spiral case

圖2 蝸殼壓力及速度等值線Fig.2 Spiral case pressure and velocity contour

圖3 蝸殼速度矢量和流線圖Fig.3 Velocity vector and streamline of spiral case

圖4 蝸殼斷面速度矢量圖Fig.4 Velocity vector of the section of the spiral case

根據(jù)流場計(jì)算結(jié)果計(jì)算了蝸殼內(nèi)直徑為558.3 mm(模型尺寸D1=350 mm)圓周(固定導(dǎo)葉外切圓)上的出流角。蝸殼出流角與固定導(dǎo)葉進(jìn)口安放角比較，見圖5所示。從圖中分析可知，在整個(gè)蝸殼包角范圍內(nèi)，蝸殼出流角變化從 23.1～31°左右，角度變化范圍在8°左右。同時(shí)蝸殼內(nèi)流態(tài)分布也顯示出蝸殼壓力分布、流線均勻合理。 因此映秀灣電站蝸殼 CFD 計(jì)算結(jié)果是比較理想的。從圖5來看，固定導(dǎo)葉進(jìn)口安放角約為 27°，與蝸殼的匹配也基本合適。圖6為固定導(dǎo)葉頭部進(jìn)口區(qū)域速度矢量分布圖，從圖中也可以得出，固定導(dǎo)葉進(jìn)口區(qū)域內(nèi)的流線分布也是比較均勻合理的。

圖5 蝸殼出流角與固定導(dǎo)葉進(jìn)口安放角的比較Fig.5 Comparison between the outlet angle of spiral case and the inlet angle of fixed guide vanes

圖6 固定導(dǎo)葉頭部進(jìn)口區(qū)域速度矢量分布Fig.6 Fixed guide vane head inlet region velocity vector distribution

2.2 固定導(dǎo)葉與活動(dòng)導(dǎo)葉的CFD計(jì)算

在轉(zhuǎn)輪與活動(dòng)導(dǎo)葉的聯(lián)合計(jì)算分析中，計(jì)算了轉(zhuǎn)輪最優(yōu)效率與開口的對應(yīng)關(guān)系，從中可知，轉(zhuǎn)輪A606c與正曲率導(dǎo)葉相配時(shí)，最優(yōu)開口為16 mm(模型轉(zhuǎn)輪對應(yīng)的開口值)。

圖7 活動(dòng)導(dǎo)葉最優(yōu)開口與固定導(dǎo)葉幾何關(guān)系Fig.7 Geometric relationship between the optimal opening of the movable guide vane and the fixed guide vane

圖7是轉(zhuǎn)輪計(jì)算得出的導(dǎo)葉最優(yōu)開口與固定導(dǎo)葉的幾何匹配情況。從圖中可以清楚地看出，改造后的轉(zhuǎn)輪A606c與正曲率導(dǎo)葉匹配的最優(yōu)開口16 mm 時(shí)，活動(dòng)導(dǎo)葉進(jìn)口角約為25.9°，而映秀灣固定導(dǎo)葉出口角為 24.3°，其最優(yōu)匹配關(guān)系很好。由此可以從固定導(dǎo)葉與活動(dòng)導(dǎo)葉幾何位置關(guān)系上判斷，原固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉匹配情況是合理的。為了進(jìn)一步分析導(dǎo)葉區(qū)域流場分布情況，因此做了固定導(dǎo)葉與活動(dòng)導(dǎo)葉的 CFD 聯(lián)合計(jì)算分析。以下是轉(zhuǎn)輪額定水頭、最優(yōu)開口下的導(dǎo)葉聯(lián)合計(jì)算CFD分析結(jié)果(活動(dòng)導(dǎo)葉開口為最優(yōu)開口A0=16 mm)。

圖8 固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉壓力和速度矢量分布Fig.8 Distribution of pressure and velocity vector of fixed guide vane and active guide vane

圖9 固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉流線分布(俯視)Fig.9 Distribution of flow lines in fixed guide vanes and active guide vanes(overlooking)

圖10 固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉區(qū)域內(nèi)部流線分布Fig10 Distribution of flow lines in the area of fixed guide vane and moving guide vane

從導(dǎo)葉CFD分析結(jié)果看出，最優(yōu)開口下，活動(dòng)導(dǎo)葉進(jìn)口頭部壓力駐點(diǎn)基本位 于導(dǎo)葉頭部中間附近，速度矢量、流線分布均勻。說明轉(zhuǎn)輪計(jì)算最優(yōu)開口時(shí)導(dǎo)葉 區(qū)域流態(tài)分布良好。 根據(jù) CFD 分析結(jié)果，計(jì)算了不同開口導(dǎo)葉區(qū)的水頭損失，并以數(shù)值效率的形式表示于圖11。由圖11 可知，導(dǎo)葉區(qū)水頭損失最小的開口在17 mm 左右。也就是說固定導(dǎo)葉、 活動(dòng)導(dǎo)葉聯(lián)合計(jì)算的最優(yōu)開口與活動(dòng)導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪聯(lián)合計(jì)算的最優(yōu)開口是基本一致的。說明改造后的轉(zhuǎn)輪A606c用于映秀灣電站與其他通流部件的匹配關(guān)系是合適的。

圖11 導(dǎo)葉區(qū)域數(shù)值效率Fig.11 Numerical efficiency of guide vane

3 結(jié)果驗(yàn)證

映秀灣電站水輪機(jī)機(jī)組投入運(yùn)行之后，對機(jī)組運(yùn)行的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測，如表2所示。待機(jī)組停機(jī)之后，對機(jī)組的過流部件(轉(zhuǎn)輪，固定導(dǎo)葉，活動(dòng)導(dǎo)葉，蝸殼)進(jìn)行空蝕檢查，如圖12 所示。根據(jù)表2和圖12分析表明，映秀灣電站改造后的機(jī)組的相關(guān)運(yùn)行指標(biāo)都在合理的范圍內(nèi)，過流部件的空化性能良好，說明針對此次改造過程當(dāng)中的過流部件的分析是合理的，達(dá)到了預(yù)期的目的。

表2 機(jī)組運(yùn)行指標(biāo) μm

圖12 過流部件空蝕檢查Fig.12 Cavitation inspection of overcurrent components

4 結(jié) 語

在對映秀灣電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行改造之后，利用CFD方法對映秀灣電站水輪機(jī)蝸殼，固定導(dǎo)葉，活動(dòng)導(dǎo)葉進(jìn)行了計(jì)算，得出如下結(jié)論。

(1)在對蝸殼和固定導(dǎo)葉進(jìn)行聯(lián)合CFD計(jì)算表明，蝸殼內(nèi)的流態(tài)以及壓力分布情況合理，原蝸殼出流角與固定導(dǎo)葉進(jìn)口安放角是相匹配的。

(2)在對固定導(dǎo)葉與活動(dòng)導(dǎo)葉進(jìn)行聯(lián)合計(jì)算表明，固定導(dǎo)葉與活動(dòng)導(dǎo)葉的最優(yōu)開口匹配關(guān)系良好。

(3)通過CFD分析發(fā)現(xiàn)，在映秀灣電站的改造過程當(dāng)中，不需要對映秀灣電站水輪機(jī)組原過流部件進(jìn)行修改是合理的，并且在機(jī)組的運(yùn)行監(jiān)測的數(shù)據(jù)當(dāng)中得到了驗(yàn)證。

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