梨樹園子水電站混流式水輪機(jī)尾水管優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

(遼寧潤中供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110003)

1 工程概況

梨樹園子水電站屬于愛河梯級(jí)開發(fā)第五級(jí)水電站，壩址位于遼寧丹東鳳城市石城鎮(zhèn)梨樹園子村西的愛河上游干流上，是一座以發(fā)電為主的小型徑流式水電站。電站裝機(jī)容量22400kW，設(shè)計(jì)庫容1800萬m3，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)1000年一遇。

梨樹園子水電站采用的混流式水輪機(jī)組，其基本參數(shù)如下：固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉分別為23個(gè)，長葉片和短葉片均為15個(gè)，共30個(gè)葉片。水輪機(jī)的吸出高度為-8.35m，額定流量為1.55m3/s，轉(zhuǎn)輪機(jī)直徑為0.70m。此外，水輪機(jī)尾水管還有兩個(gè)支墩。混流式水輪機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、空化性能好以及效率高等諸多優(yōu)勢(shì)，在當(dāng)前的水電站建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用，但是，由于設(shè)計(jì)不科學(xué)或水輪機(jī)內(nèi)部的過流部件中不穩(wěn)定水流的作用，容易造成尾水管中偏心螺旋渦帶和壓力脈動(dòng)，對(duì)機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行十分不利[1,2]，因此，加強(qiáng)混流式水輪機(jī)尾水管流場(chǎng)改善措施研究，具有十分重要的理論和實(shí)踐意義。

2 水輪機(jī)三維有限元計(jì)算模型

2.1 模型的建立與網(wǎng)格劃分

混流式水輪機(jī)組中各個(gè)部件的幾何建模以及網(wǎng)格劃分的質(zhì)量，對(duì)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的精度和工程應(yīng)用價(jià)值有顯著影響[3]。目前，一般的流體機(jī)械設(shè)計(jì)中的Pro/E、catia、solidworks、UG三維建模軟件均具有比較強(qiáng)大的功能[4]。本文采用UG軟件對(duì)水輪機(jī)的所有過流部件進(jìn)行三維模型構(gòu)建，并導(dǎo)入ICEM-CFD軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分[5]。最終獲得4995753個(gè)網(wǎng)格單元、5500353個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)。尾水管部分的網(wǎng)格劃分示意圖見圖1。

圖1 尾水管網(wǎng)格劃分示意圖

2.2 邊界條件

利用數(shù)值計(jì)算模型進(jìn)行求解計(jì)算和處理之前，需要設(shè)置研究對(duì)象的物理邊界條件，其中模型的進(jìn)口邊界條件通過水輪機(jī)進(jìn)口邊界的質(zhì)量流量確定[6]，流速方向?yàn)榕c進(jìn)口斷面垂直的方向，流量的大小通過各工況的流量值確定。由于尾水管的出口經(jīng)常存在回流現(xiàn)象，因此，將出口邊界條件設(shè)置為壓力邊界[7]。模型的壁面邊界條件設(shè)定為固體光滑壁面條件，近壁面部位的流體流速為零。

2.3 計(jì)算工況

由于水輪機(jī)組尾水管的空腔渦帶壓力脈動(dòng)現(xiàn)象，主要產(chǎn)生于機(jī)組的非設(shè)計(jì)工況下[8]，本次研究設(shè)計(jì)了小流量工況(工況1)和部分荷載工況(工況2)進(jìn)行尾水管流態(tài)研究，其中，小流量工況的相對(duì)導(dǎo)葉開度為37.9%，單位流量為900L/s，單位轉(zhuǎn)速為78r/min；部分荷載工況的相對(duì)導(dǎo)葉開度為60.0%，單位流量為1100L/s，單位轉(zhuǎn)速為95r/min。

3 原設(shè)計(jì)方案的模擬計(jì)算結(jié)果與方案優(yōu)化

3.1 原設(shè)計(jì)方案的模擬計(jì)算結(jié)果

利用構(gòu)建的三維有限元模型，對(duì)梨樹園子水電站水輪機(jī)組在兩種不同工況下的尾水管流態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬(見圖2～圖5)。由圖可知，在兩種工況下，機(jī)組

圖2 工況1原方案尾水管子午面流線

圖3 工況2原方案尾水管子午面流線

圖4 工況1原方案尾水管渦帶形態(tài)

圖5 工況2原方案尾水管渦帶形態(tài)

尾水管的流態(tài)整體較差，流線比較紊亂，存在比較明顯的回轉(zhuǎn)渦流現(xiàn)象。從尾水管渦帶的形態(tài)來看，在兩種工況下，尾水管渦帶的形態(tài)比較復(fù)雜且偏心距較大。

3.2 尾水管流場(chǎng)改善方案

針對(duì)原設(shè)計(jì)方案下水輪機(jī)組尾水管中存在的偏心螺旋形渦帶可能誘發(fā)的機(jī)組共振，擬采取如下的尾水管流場(chǎng)改善方案：?加長水輪機(jī)的原泄水錐，加長長度為針輪機(jī)直徑的0.18倍，使其底部與轉(zhuǎn)輪下環(huán)的出口位于同一平面，這種設(shè)計(jì)已經(jīng)在安康電廠等新機(jī)組中得到驗(yàn)證；?采用主軸中心補(bǔ)水，也就是沿著水輪機(jī)主軸中心孔經(jīng)過轉(zhuǎn)輪的空心部分最后在泄水錐的底部將水補(bǔ)入尾水管，以減小尾水管的低壓區(qū)域，進(jìn)而抑制尾水管渦帶的發(fā)展；?在尾水管彎肘部位安裝導(dǎo)流板，通過減弱渦帶對(duì)管壁的撞擊，以改善振動(dòng)。

4 優(yōu)化方案尾水管流態(tài)改善效果分析

4.1 流線

利用構(gòu)建的三維有限元模型，對(duì)優(yōu)化方案下的水輪機(jī)尾水管流態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算(見圖6和圖7)。通過兩種工況下優(yōu)化前后的尾水管流線圖對(duì)比可知，在小流量工況下，尾水管的流量較小、流速較低，雖然優(yōu)化設(shè)計(jì)方案并沒有完全消除尾水管內(nèi)的漩渦現(xiàn)象，但對(duì)局部水流的平緩作用比較明顯，特別是直錐段的高速水流速度明顯降低，彎肘段的兩個(gè)大漩渦轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)小漩渦。鑒于小流量條件下的尾水管流態(tài)紊亂現(xiàn)象十分嚴(yán)重，因此，優(yōu)化方案在穩(wěn)流方面具有明顯的效果。在部分荷載工況下，原設(shè)計(jì)方案尾水管各個(gè)部位存在著形態(tài)不同、大小不同的漩渦，整體流態(tài)較差，而在優(yōu)化方案條件下，尾水管的彎肘段和擴(kuò)散段漩渦基本消失，直錐段雖然仍存在漩渦，但是強(qiáng)度顯著減弱，特別是擴(kuò)散段的流線基本呈直線形態(tài)，說明水流平穩(wěn)順暢，水流形態(tài)得到明顯改善。

圖6 工況1優(yōu)化方案尾水管子午面流線

圖7 工況2優(yōu)化方案尾水管子午面流線

4.2 尾水管渦帶

利用模型計(jì)算的結(jié)果見圖8和圖9。由圖可知，在工況1，也就是小流量工況下，原設(shè)計(jì)方案存在螺旋狀的渦帶，并且體積和偏心率較大，在優(yōu)化設(shè)計(jì)方案下，水輪機(jī)尾水管中的渦帶基本消失，僅在泄水錐的下部存在空腔，但是體積極小。究其原因，主要是加長泄水錐可以使渦帶明顯下移，而主軸中心孔補(bǔ)水措施有利于渦帶空腔和偏心率的大幅減小，而彎肘段導(dǎo)流板的導(dǎo)流分流作用則進(jìn)一步抑制了水體的渦旋脈動(dòng)作用。從部分負(fù)荷工況來看，尾水管渦帶變化情況與小流量工況基本一致，優(yōu)化方案下的渦帶體積與偏心率明顯降低，僅在泄水錐的下方存在極小體積的空腔。由此可見，優(yōu)化方案對(duì)渦帶的減小意味著壓力脈動(dòng)的減弱，這對(duì)降低機(jī)組共振十分有利。

圖8 工況1優(yōu)化方案尾水管渦帶

圖9 工況2優(yōu)化方案尾水管渦帶

4.3 渦流黏度

對(duì)兩種工況下原方案和優(yōu)化方案的尾水管渦流黏度進(jìn)行對(duì)比(見圖10～圖13)可知，小流量工況下原方案尾水管彎肘段的渦流黏度偏大，部分點(diǎn)達(dá)到了11Pa·s，而優(yōu)化方案下基本都在7Pa·s以下。部分負(fù)荷工況下原方案尾水管進(jìn)口和直錐段的渦流黏度偏大，基本都在8～10Pa·s，而優(yōu)化方案下基本都在2Pa·s以下。從渦旋黏度來看，優(yōu)化方案在相當(dāng)程度上改善了尾水管流體的渦脈動(dòng)，對(duì)尾水管內(nèi)的水流從擴(kuò)散段平穩(wěn)流出具有顯著的積極影響。

圖10 工況1原方案尾水管渦流黏度

圖11 工況1優(yōu)化方案尾水管渦流黏度

圖12 工況2原方案尾水管渦流黏度

圖13 工況2優(yōu)化方案尾水管渦流黏度

4.4 水輪機(jī)效率

為探明優(yōu)化方案對(duì)水輪機(jī)效率的影響，對(duì)不同工況下原方案和優(yōu)化方案的轉(zhuǎn)輪效率以及水輪機(jī)效率進(jìn)行計(jì)算(見表1)。由表中數(shù)據(jù)可知，轉(zhuǎn)輪和水輪機(jī)在不同方案和不同工況下具有不同的效率值，在優(yōu)化方案下，水輪機(jī)和轉(zhuǎn)輪的效率既有提高也有降低，同時(shí)，提高或降低的幅度較小。因此，優(yōu)化方案對(duì)水輪機(jī)效率的影響極為有限。本文的尾水管改善措施能夠在保證機(jī)組出力不受影響的情況下，顯著改善尾水管流態(tài)，建議在工程設(shè)計(jì)中使用。

表1 不同工況下水輪機(jī)和轉(zhuǎn)輪效率值

5 結(jié) 語

為探究混流式水輪機(jī)尾水管內(nèi)部的水流流態(tài)，為水輪機(jī)尾水管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論支持，本文以具體工程為依托，通過數(shù)值模擬方法對(duì)梨樹園子水電站混流式水輪機(jī)尾水管原設(shè)計(jì)方案的流態(tài)進(jìn)行建模分析，并根據(jù)分析結(jié)果提出了具體的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。模擬結(jié)果顯示，尾水管優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠在保證機(jī)組出力不受影響的情況下，顯著改善尾水管流態(tài)，建議在工程設(shè)計(jì)中使用。當(dāng)然，本次研究僅限于理論層面，許多具體的工程技術(shù)問題仍待進(jìn)一步完善。例如，在真實(shí)工況下，導(dǎo)流板可能遭到大流量、高強(qiáng)度的沖刷，需要采用強(qiáng)度高、剛度大和抗磨蝕性好的導(dǎo)流板材料。