淺談混流式水輪機(jī)內(nèi)流場對機(jī)組性能的影響

黃 鑫， 郭 永 洪， 馬 志 軍， 蘇 豪 娟

(1.四川省紫坪鋪開發(fā)有限責(zé)任公司，四川 成都 610000；2.都江堰雙柏電力有限責(zé)任公司，四川 都江堰 611830)

0 引 言

水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行性能的好壞，直接影響到水電站乃至電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)與安全運(yùn)行[1]。因此，提高水輪機(jī)組的效率及穩(wěn)定性對國家的能源戰(zhàn)略具有重大而深遠(yuǎn)的意義。近年來，隨著水利水電工程的發(fā)展，水輪發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量和尺寸不斷增大，水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速也隨之提高，但在穩(wěn)定運(yùn)行方面卻出現(xiàn)了越來越多的問題，嚴(yán)重影響了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

目前，國內(nèi)外針對水輪機(jī)內(nèi)水流擾動問題的研究方法主要有理論分析、模型試驗、真機(jī)試驗和數(shù)值分析四種。本文采用數(shù)值模擬的方法，利用Fluent軟件對某型號混流式水輪機(jī)內(nèi)流場進(jìn)行數(shù)值模擬，分析該型號水輪機(jī)在不同工況下的運(yùn)行特性，并討論運(yùn)行工況對機(jī)組水力性能的影響，為水輪機(jī)的設(shè)計和水力機(jī)組的運(yùn)行方式提供參考。

1 模型及計算方法

1.1 物理模型及網(wǎng)格

利用UG軟件對水輪機(jī)進(jìn)行物理建模，包括蝸殼、座環(huán)、導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪和尾水管，用Gambit軟件對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于模型較復(fù)雜，采取分塊劃分的方式，分別對蝸殼、座環(huán)、導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪、尾水管水體劃分網(wǎng)格。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的方式，并對流動狀態(tài)變化較大區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，最終網(wǎng)格節(jié)點數(shù)98萬。

1.2 數(shù)學(xué)模型

水輪機(jī)內(nèi)的水流流動是一個復(fù)雜的三維不可壓縮粘性湍流，可用流體的連續(xù)方程和N-S方程描述。即：

(1)

(2)

式中ρ為密度；ui、uj為平均速度(i，j=1，2，3)；pn為等效壓力；μe為流體粘性系數(shù)。

采用RNGk-ε模型使方程封閉：

(3)

(4)

0.012。

1.3 邊界條件及計算方法

由于水輪機(jī)內(nèi)部水流流動是一個復(fù)雜的三維不可壓縮粘性渦流，因此，采用分離式求解器穩(wěn)態(tài)求解時均N-S方程。湍流模型選擇RNGk-ε模型，蝸殼進(jìn)口斷面設(shè)為速度入口，尾水管出口設(shè)為outflow，不同流體域之間的數(shù)據(jù)交換采用差值的方式，交界面設(shè)為interface，用滑移網(wǎng)格模型處理轉(zhuǎn)輪區(qū)域與導(dǎo)葉、尾水管區(qū)域的耦合問題，上冠、下環(huán)和導(dǎo)葉壁面均設(shè)為Moving Wall。速度壓力耦合采用經(jīng)典的SIMPLE算法。為了更精確的模擬湍流，動量方程中的對流項離散格式設(shè)置為二階迎風(fēng)格式，其他方程采用默認(rèn)格式。

1.4 工況點的選取

隨著導(dǎo)葉開度的不同，水輪發(fā)電機(jī)組會經(jīng)歷幾個不同的工況區(qū)。根據(jù)機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線，可將機(jī)組劃分為低效率工況區(qū)、強(qiáng)渦帶工況區(qū)和穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)。為了便于分析和比較，分別在最大水頭、最小水頭、設(shè)計水頭下各選擇一個工況點進(jìn)行計算。各工況點參數(shù)如下表1所示。

表1 工況點參數(shù)表

2 計算結(jié)果及分析

2.1 導(dǎo)葉區(qū)域流場計算結(jié)果及分析

水流流經(jīng)蝸殼進(jìn)入固定導(dǎo)葉區(qū)域，在固定導(dǎo)葉部分形成速度環(huán)量，保證流量沿圓周方向均勻分配?；顒訉?dǎo)葉通過改變導(dǎo)葉開度控制流入轉(zhuǎn)輪區(qū)域的流量，引導(dǎo)水流按一定的方向進(jìn)入轉(zhuǎn)輪，形成與改變進(jìn)入轉(zhuǎn)輪的水流環(huán)量，從而達(dá)到調(diào)整出力的目的。通過模擬實驗，得出結(jié)果是三種工況下固定導(dǎo)葉背面壓力均小于正面壓力，活動導(dǎo)葉頭部到尾部壓力逐漸降低，速度逐漸增大，在圓周方向?qū)ΨQ性較好。固定導(dǎo)葉和活動導(dǎo)葉頭部有較小的撞擊，但沒有形成脫流，可通過改變導(dǎo)葉安放角度來調(diào)整其頭部水流撞擊問題。總體來說，導(dǎo)葉區(qū)域水流狀態(tài)尚可。

2.2 轉(zhuǎn)輪區(qū)域流場計算結(jié)果及分析

水流通過轉(zhuǎn)輪時，一方面沿彎曲的葉片做相對運(yùn)動，另一方面又隨葉片旋轉(zhuǎn)，流動十分復(fù)雜。水流經(jīng)過導(dǎo)葉引導(dǎo)后，應(yīng)基本沿軸向均勻分配，各葉片上壓力、速度應(yīng)呈中心對稱。從實驗中可以看出，三種工況下，葉片正面從進(jìn)水邊到出水邊逐漸降低，正、背兩面形成一定的壓力差；工況1條件下，葉片正、背面壓力等值線與進(jìn)出水邊有一定角度，但總體尚可，基本可以滿足要求；工況2條件下葉片正、背面進(jìn)水邊附近壓力等值線基本與進(jìn)水邊平行，而出水邊附近壓力等值線與出水邊近似垂直，在出水邊靠近下環(huán)處形成回流，葉片背面從進(jìn)水邊到出水邊壓力逐漸增大，在出水邊靠近上冠的位置壓力達(dá)到最大，此種壓力分布對葉片的強(qiáng)度提出了較高要求；工況3條件下葉片正、背面壓力從進(jìn)水邊到出水邊逐漸降低，壓力等值線與進(jìn)出水邊基本平行，進(jìn)水邊壓力梯度大于出水邊，但在背面靠近下環(huán)處壓力較低，此部位易造成空化空蝕現(xiàn)象。總體來說，工況1、工況3條件下，轉(zhuǎn)輪葉片壓力分布尚可，工況1在進(jìn)水邊背面附近形成小范圍負(fù)壓區(qū)，易造成空化空蝕現(xiàn)象，而工況3條件下空化空蝕區(qū)轉(zhuǎn)移至葉片背面靠近下環(huán)的大片區(qū)域，工況2條件對水輪機(jī)運(yùn)行較不利，葉片背面存在大范圍的空蝕區(qū)域。

2.3 尾水管區(qū)域流場計算結(jié)果及分析

尾水管作用是要將轉(zhuǎn)輪出口水流引向下游，利用轉(zhuǎn)輪高出下游水面的那一段位能，并要回收一部分轉(zhuǎn)輪的出口動能，其內(nèi)部流態(tài)主要依賴于轉(zhuǎn)輪出口水流的流態(tài)。水流流經(jīng)肘管彎曲部分時，流線發(fā)生彎曲，肘管底部附近壓力會增大，流速降低，而上部壓力減小，流速增大，造成下部水流收縮，上部水流擴(kuò)散，形成渦流滯水區(qū)。水流流經(jīng)水平擴(kuò)散段時，由于離心力的作用逐漸消失，斷面壓力分布又趨于均勻，在肘管段具有較高壓力的水流此時壓力要降低，水流加速呈收縮狀；肘管段壓力較低、流速較高的水流此時壓力增加、流速降低，水流呈擴(kuò)散狀，形成另一渦流滯水區(qū)。同時，由于轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)作用，在直錐段及肘管段中的水流呈螺旋形運(yùn)動，直到水平擴(kuò)散段才逐漸消失。圖1-圖3給出了三種工況下尾水管內(nèi)水流跡線圖，從圖中可以看出，工況1下尾水管進(jìn)口水流圓周方向速度幾乎為零，基本沒有渦帶，水流狀態(tài)較好；工況2下尾水管進(jìn)口水流有一定的圓周速度，在直錐段產(chǎn)生較小渦帶，并在發(fā)展至尾端過程中

圖1 工況1尾水管水流跡線圖

逐漸減弱；工況3下尾水管進(jìn)口水流圓周速度較大，在直錐段產(chǎn)生較強(qiáng)渦帶，并在發(fā)展至尾部時沒有減弱，在尾水管出口位置還存在有較大旋渦。

圖2 工況2尾水管水流跡線圖

圖3 工況3尾水管水流跡線圖

3 結(jié) 論

本文利用CFD技術(shù)對某電廠水輪機(jī)內(nèi)流場進(jìn)行數(shù)值模擬，得到三種工況下導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)輪葉片及尾水管內(nèi)的水流變化規(guī)律。研究表明，該水輪機(jī)在設(shè)計水頭下運(yùn)行時，各部件水力性能表現(xiàn)相對良好；在偏離設(shè)計水頭運(yùn)行時，各個部件水力性能表現(xiàn)不一，水流狀態(tài)不理想，水力部件的結(jié)構(gòu)有待改善，同時，也可通過調(diào)整機(jī)組的運(yùn)行范圍，達(dá)到保護(hù)機(jī)組的目的。