張 玲,謝恒龍,王 沖,劉琳琳
(1.東北電力大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,吉林 吉林 132012;2.重慶長安汽車股份有限公司 動力研究院,重慶401120;3.河北駿興節(jié)能技術(shù)服務(wù)有限公司,河北石家莊050000)
隨著人們對環(huán)保意識的增強,火力發(fā)電逐漸受到制約,技術(shù)的不成熟也阻礙了風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電及核電發(fā)展的腳步.相比之下,技術(shù)成熟的水力發(fā)電倍受人們青睞,而且水又是無污染的可再生能源[1~3].水利發(fā)電的關(guān)鍵部件就是水輪機.
影響水輪機機組性能的三項指標為效率、穩(wěn)定性和空化性能,效率是測量水能利用程度的一項指標,穩(wěn)定性關(guān)系到水輪機組的安全運行,空化性能關(guān)系到水輪機組的運行壽命[4].目前,水輪機的效率最高可達95%,進一步提高水輪機組的效率受到限制,穩(wěn)定性和空化問題一直是水利機械領(lǐng)域的難題之一[5].水輪機是水電站的核心部件,水輪機運行的好壞直接影響機組的效率,隨著水輪機組越來越向大型化方向發(fā)展,對水輪機的抗空化性能和穩(wěn)定性提出了更高的要求.水輪機內(nèi)部水流流動十分復(fù)雜,不僅有轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)葉、尾水管的相互干涉作用,還伴有二次流、間隙流、尾跡及流道中的葉道渦[6].因此,充分掌握水輪機過流部件流體的流動特性和壓力分布,對防止機組運行時的振動和空蝕有重要意義.
在實際工作中,通過水輪機的流體流量隨著導(dǎo)葉開度變化而改變.水輪機通常是在非設(shè)計工況下運行,當(dāng)水輪機偏離最優(yōu)工況時,上冠進口處流體脫流,在流道內(nèi)發(fā)展成葉道渦[7].當(dāng)葉道渦發(fā)展比較嚴重時,會形成比較粗大的渦帶,渦帶尾部相當(dāng)不穩(wěn)定,嚴重時會影響機組的安全運行[8].如1992年塔貝拉電站水輪機事故,由于水輪機長時間偏離最優(yōu)工況在高水頭下運行,流道內(nèi)形成葉道渦,引起強烈振動破壞設(shè)備,以至不得不在轉(zhuǎn)輪葉片進口和尾水管補氣才能安全運行[9~10].1993年巖灘水電站水輪機組在高負荷區(qū)工況下運行導(dǎo)致廠房劇烈振動.分析認為機組在超過額定水頭下運行引起的振動屬于共振問題,引發(fā)共振的是水力因素激發(fā)的共振現(xiàn)象[11].云南大朝山電站由于導(dǎo)葉卡門渦導(dǎo)致葉片在短時間內(nèi)出現(xiàn)裂紋[12].
水輪機的空化和空蝕按空化和空蝕發(fā)生的部位分為四種基本類型,其中翼型空化是混流式水輪機空化的主要類型[13].影響翼型的空化有很多因素,包括葉片的參數(shù),組成轉(zhuǎn)輪葉片的數(shù)量以及水輪機的運行工況等等[14].二灘水電站在1998年投入運行后,葉片近水邊吸力面靠近下環(huán)位置、上冠過流面靠近出口處逐漸發(fā)現(xiàn)有不同程度的空蝕[15].楊凌水電站經(jīng)過5 000小時運行后,檢修發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪空蝕嚴重,出現(xiàn)了大面積的空蝕麻面,葉片吸力面空蝕深度達50 mm.研究發(fā)現(xiàn),近幾年來隨著水質(zhì)的破壞,含沙量和推移質(zhì)都較大,對轉(zhuǎn)輪造成了不同程度的損壞[16].
在實際運行中,水輪機通常在變工況下運行,流體因為工況改變而引起瞬態(tài)振動以及葉片表面空蝕現(xiàn)象較為嚴重.但對水輪機的調(diào)試以及測試大多在穩(wěn)定工況下運行,本文假定流體處于穩(wěn)態(tài)流動,主要研究葉道渦以及二次流對葉片空蝕和振動問題的影響.根據(jù)某電站的原型水輪機幾何參數(shù)進行葉柵流道建模.基于三維時均N-S方程對水輪機內(nèi)部流動進行數(shù)值計算.首先基于最優(yōu)工況(導(dǎo)葉開度60%)采用RNG k-ε模型在不同速度下對水輪機進行定常計算;然后選取水流速度v=8 m/s在不同導(dǎo)葉開度工況下進行模擬計算,并對結(jié)果進行分析.
表1 原型水輪機基本參數(shù)
本文采用HL100-WJ-75混流式水輪機葉片數(shù)據(jù),基于木模圖采用UG NX8.0建模[17].原型水輪機的基本參數(shù),如表1所示.因整個轉(zhuǎn)輪是軸對稱布置,所以本文在建立整個環(huán)形葉輪模型的基礎(chǔ)上截取包含兩個葉片在內(nèi)的區(qū)域,作為一個流動計算通道,在葉片進口和出口處各延長一段距離,作為水流的進口和出口,如圖1所示.
整個模型采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,因葉片為本文重點研究內(nèi)容,對葉片網(wǎng)格進行加密,網(wǎng)格總數(shù)約為150多萬.網(wǎng)格示意圖,如圖2所示.
圖1 水輪機轉(zhuǎn)輪及計算模型
圖2 轉(zhuǎn)輪流道及葉片局部加密網(wǎng)格示意圖
考慮到流動中旋轉(zhuǎn)和旋流流動等因素,本文采用RNG k-ε模型.該模型能較好地模擬流動的分離與漩渦,對于處理高應(yīng)變率以及流線彎曲程度較大的流動比較有效[18].對控制方程采用有限體積法進行離散,為了獲得更高的精度,避免假擴散帶來的影響,離散格式采用二階迎風(fēng)格式,利用SIMPLE算法進行求解.
進口邊界條件:由于容易測量水輪機進口流量,所以采用速度進口邊界條件.湍動能k=3/2(vI)2,其中v為湍流平均速度,I為湍流強度(一般經(jīng)驗值取6%).所以進口湍動能進口耗散率,其中cμ為經(jīng)驗值(一般取0.09),為進口處普朗特混lin合常數(shù).
出口邊界條件:由于水輪機出口壓力、速度未知,所以采用自由出流邊界條件.
壁面邊界條件:在壁面上采用無滑移邊界條件,近壁區(qū)域采用標準壁面函數(shù)法.
空化系數(shù)σ表示了水輪機工作輪中的相對動力真空值,σ為一個無因次量,該值與水輪機工作輪翼型的幾何形狀、水流繞翼型的流態(tài)即水輪機的工況有關(guān)[19].設(shè)最低壓力點為K點,2點為葉片出口邊上的點,如圖3所示.即
圖3 水輪機流道翼型空化條件分析示意圖
式中:ωK為K點的相對速度;ω2為2點的相對速度;ν2為2點的絕對速度;ηω為尾水管的恢復(fù)系數(shù);H為工作水頭.
根據(jù)原型水輪機的設(shè)計水頭,選取了三種具有代表性的流速(v=5 m/s、v=8 m/s、v=10 m/s),在導(dǎo)葉開度為60%的工況下進行計算.水輪機轉(zhuǎn)輪葉片壓力側(cè)在不同主流速度下的絕對壓力分布云圖,如圖4所示.壓力分布從葉片進口到出口沿徑向均勻減小,過度平穩(wěn),沒有出現(xiàn)較大的突變.當(dāng)流速為5 m/s時,壓力梯度變化均勻,有利于能量的轉(zhuǎn)換,提高水輪機效率,且葉片出口處不易出現(xiàn)局部低壓,翼型空化得到抑制.葉片進口大部分區(qū)域處在高壓區(qū),隨著流速的增加,高壓區(qū)覆蓋面逐漸減?。?dāng)流速達到10 m/s時,在葉片出水邊靠近下環(huán)壁區(qū)域出現(xiàn)低壓區(qū),出現(xiàn)空化的幾率增加.
圖4 轉(zhuǎn)輪葉片壓力側(cè)在不同速度下的絕對壓力分布云圖
圖5 轉(zhuǎn)輪葉片吸力側(cè)在不同速度下的絕對壓力分布云圖
轉(zhuǎn)輪葉片壓力側(cè)在主流不同速度下的絕對壓力分布云圖,如圖5所示.與葉片壓力側(cè)相比,在相同速度工況下,葉片吸力側(cè)的平均壓力較小,高壓區(qū)的覆蓋率明顯減少,說明翼型空化主要發(fā)生在水輪機葉片的吸力側(cè).流速增加是壓力降低的主要原因,水輪機主流v=10 m/s工況下吸力面靜壓分布等值線圖,如圖6所示.在60%開度時,葉片吸力側(cè)靠近下環(huán)出口區(qū)域最低靜壓為-4 500 Pa,此時發(fā)生空化的概率比較大.
主流速度不變在導(dǎo)葉開度為90%的情況下葉輪湍動能分布云圖,如圖7所示.根據(jù)轉(zhuǎn)輪葉片吸力側(cè)的湍動能分布來看,葉片進口前緣和靠近下環(huán)邊緣處湍動能較大,說明此處湍流擾動強烈,最主要的原因是受葉道渦的影響.穩(wěn)定的葉道渦不會對葉片產(chǎn)生負面影響,隨著導(dǎo)葉開度的增大,進水流量增加,葉道渦變得不穩(wěn)定,引起轉(zhuǎn)輪的振動,對葉片乃至整個轉(zhuǎn)輪都有極大的危害.由于不穩(wěn)定葉道渦及二次流的作用,部分區(qū)域絕對壓力急劇降低,使得產(chǎn)生空化的幾率增加.如圖7(a)所示,在實際生產(chǎn)中應(yīng)在避開引起葉道渦不穩(wěn)定的工況下運行.
葉片壓力面的湍動能分布云圖,如圖7(b)所示.葉片進水邊靠近下環(huán)部分和葉片尾緣大部分區(qū)域湍流擾動比較強烈.這是因為在導(dǎo)葉大開度工況下,水流以正沖角進入流道,在葉片壓力側(cè)脫離壁面,受到葉道渦的擾動在壁面產(chǎn)生二次回流,水力損失增大.
上冠和下環(huán)的湍動能分布云圖,如圖7(c)、圖7(d)所示.在上冠葉片吸力側(cè)后緣,以及下環(huán)葉片間的流道湍動能較大,湍流擾動比較強烈.隨著上冠葉片尾緣處水流的脫落,在葉輪軸向產(chǎn)生二次渦.由于二次渦的作用,不僅水流流動不穩(wěn)定,還會在下環(huán)處產(chǎn)生低壓區(qū).因為空氣具有一定的彈性吸振能力,在渦帶區(qū)域補入適量的空氣,不僅可以降低漩渦的擾動強度,還可以提高該區(qū)域的壓力,減小空化發(fā)生的可能性.
圖6 主流v=10m/s工況下葉片吸力側(cè)靜壓分布等值線圖
圖7 主流速度v=8m/s工況下葉輪湍動能分布云圖
水輪機保持額定速度(v=8 m/s)不變的情況下,導(dǎo)葉開度由小到大依次為30%、60%、90%作為計算工況的三維流線分布圖,如圖8所示.圖8(b)給出了導(dǎo)葉開度為60%的三維流線圖,可以看出,在60%導(dǎo)葉開度工況下,水流由進口到出口沒有產(chǎn)生明顯的葉道渦和二次回流,這是因為水輪機在最優(yōu)工況下運行,主流進口水流角等于轉(zhuǎn)輪葉片進口安裝角,水流與葉片之間沒有撞擊和脫離,流動平穩(wěn),水力損失?。?/p>
在90%導(dǎo)葉開度下的三維流線圖,如圖8(a)所示.可以看出,水頭高于最優(yōu)工況時,來流水流為正沖角,轉(zhuǎn)輪葉片出水邊靠近上冠部分出現(xiàn)水流脫落,渦束沿著葉片出水邊由下環(huán)流道流出.在轉(zhuǎn)輪葉片進口處,水流脫離葉片壓力面在流道間形成葉道渦.當(dāng)葉道渦為穩(wěn)態(tài)時,壓力脈動較小,對機組不會產(chǎn)生較大影響.隨著水流流量的增加,葉道渦會越來越不穩(wěn)定,壓力脈動加劇,不僅葉道渦本身的壓力脈動會給機組部件造成損害,伴隨著的振動嚴重時會使轉(zhuǎn)輪葉片產(chǎn)生裂紋.
圖8 主流速度v=8m/s工況下三維流道流線分布示意圖
在30%導(dǎo)葉開度下的三維流線圖,如圖8(c)所示.在導(dǎo)葉小開度工況下,水流以負沖角進入流道,水流撞擊葉片壓力側(cè),在葉道間形成回流,流體通過葉片出水邊,在流道下游靠近尾水管處出現(xiàn)紊亂,對于中高比速水輪機,水利損失較大,嚴重情況下,會引起機組振動,損害機組設(shè)備.
本文通過數(shù)值研究的方法分別對具有三種流速和三種導(dǎo)葉開度的混流式水輪機葉柵流道進行了數(shù)值模擬.通過葉片吸力側(cè)和壓力側(cè)的壓力云圖,分析了不同流速對葉片空蝕的影響,以及根據(jù)在高流速大開度導(dǎo)葉工況下的湍動能云圖和保持額定流速在不同導(dǎo)葉開度下的三維流線圖,具體分析了葉道渦及二次流對水輪機轉(zhuǎn)輪穩(wěn)定性的影響,主要結(jié)論如下:
(1)水輪機在額定導(dǎo)葉開度低流速工況下時,葉片壓力梯度變化均勻,沒有出現(xiàn)較大的突變,有利于能量的轉(zhuǎn)換;且葉片大部分被高壓區(qū)覆蓋,不易出現(xiàn)空蝕問題.隨著流速的增加,葉片吸力側(cè)出水邊靠近下環(huán)壁區(qū)域出現(xiàn)低壓值,空化的可能性增大.
(2)在大開度導(dǎo)葉工況下,水流以正沖角進入流道,水流脫離壁面,葉道渦變得不穩(wěn)定,葉片吸力側(cè)靠近下環(huán)邊緣處以及壓力側(cè)后緣部分湍流擾動比較強烈,水力損失增大.水流在上冠尾緣區(qū)域脫離壁面,在轉(zhuǎn)輪軸向形成二次渦,在葉輪下環(huán)區(qū)域出現(xiàn)較大湍動能,擾動劇烈.這不僅會使機組產(chǎn)生振動,還會在局部區(qū)域產(chǎn)生低壓區(qū),增加空化發(fā)生的可能性.
(3)保持額定流速(v=8m/s)不變,水流在60%導(dǎo)葉開度工況下,水流和葉片之間沒有撞擊和脫離,流道內(nèi)沒有出現(xiàn)明顯的葉道渦和二次流,水流流動平穩(wěn).水頭高于最優(yōu)工況時,來流水流在轉(zhuǎn)輪葉片出水邊靠近上冠部分出現(xiàn)水流脫落,渦束沿著葉片出水邊由下環(huán)流道流出.水頭低于最優(yōu)工況時,水流撞擊葉片壓力側(cè),在流道間形成二次回流.非額定工況下,受葉道渦和二次流的影響,引起機組振動,損害機組設(shè)備.
參考文獻
[1] 劉波,賀志佳,金昊風(fēng).風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].東北電力大學(xué)學(xué)報,2016,36(2):7-13.
[2] 李翠萍,曹璞佳,李軍徽,等.大規(guī)模分布式光伏并網(wǎng)無功電壓控制方法綜述[J].東北電力大學(xué)學(xué)報,2017,37(2):82-88.
[3] 劉曉薇.YBS水電站水輪機選型設(shè)計[J].東北電力大學(xué)學(xué)報,2012,32(3):105-110.
[4] 劉勝柱.水輪機內(nèi)部流動分析與性能優(yōu)化研究[D].西安:西安理工大學(xué),2005.
[5] 馬國華,張思青.帶副葉片混流式水輪機轉(zhuǎn)輪內(nèi)部空化流場數(shù)值模擬[D].昆明:昆明理工大學(xué),2014.
[6] 羅興锜.水輪機轉(zhuǎn)流現(xiàn)代設(shè)計理論及應(yīng)用[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,1997:56-58.
[7] 陳金霞,李國偉,劉勝柱.葉道渦產(chǎn)生機理及對水輪機穩(wěn)定性的影響[J].大電機技術(shù),2007,42(3):42~46.
[8] 張鵬遠,祝寶山,張樂福.混流式水輪機轉(zhuǎn)輪區(qū)葉道渦壓力脈動數(shù)值研究[J].大電機技術(shù),2009,35(6):35-38.
[9] 石清華,許巍巍,龔莉.低水頭混流式水輪機葉道渦引起的噪聲及其消除[C]//第十六次中國水電設(shè)備學(xué)術(shù)討論會論文集.哈爾濱:黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社,2007:156-164.
[10]吳培豪.葉道渦的特性及其危害[C]//第十五次中國水電設(shè)備學(xué)術(shù)討論會論文集.蘭州:青海人民出版社,2004:110-116.
[11] 伍曉芳,黃顯文.巖灘水電站水輪機轉(zhuǎn)輪分析對比[J].紅水河,2014,33(2):71-74.
[12]尹國君,石清華.云南大朝山225MW水輪發(fā)電機組水輪機轉(zhuǎn)輪卡門渦共振分析[C]//第十五次中國水電設(shè)備學(xué)術(shù)討論會論文集.蘭州:青海人民出版社,2004:54-60.
[13] 劉大愷.水輪機[M].3 版.北京:中國水利水電出版社,2008:89-92.
[14]屈紅崗.淺談水輪機的空化和空蝕機理以及抗空化的措施[J].湖南水利水電,2008,34(3):96-97.
[15]史寶平,程文,檀曉龍.二灘水電站水輪機空蝕情況與修復(fù)[J].四川水利發(fā)電,2014,33(2):132-135.
[16]張建勝.楊凌水電站水輪機空蝕危害及防抗措施[J].水電站機電技術(shù),2006,29(6):25-27.
[17]鄧杰,陳銳.基于木模圖的混流式轉(zhuǎn)輪葉片三維建模[C]//第十七次中國水電設(shè)備學(xué)術(shù)討論會論文集.北京:中國水利水電出版社,2009:141-148.
[18]馬國華,于鳳榮,張思青.三種κ-ε模型模擬混流式水輪機轉(zhuǎn)輪葉片湍流場差異性比較[J].水電能源科學(xué),2014,32(8):148-152.
[19]劉宇,吳玉林,張梁,等.混流式原型水輪機的三維湍流計算[J].水利發(fā)電學(xué)報,2003,12(3):101-106.