高水頭混流式水輪機(jī)長短葉片導(dǎo)葉內(nèi)部流動數(shù)值模擬

蔣佳睿，曾永忠，田文文，方 興，朱喬琦，李佳楠，劉小兵

(西華大學(xué) 流體及動力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610039)

0 引 言

水輪機(jī)作為水力發(fā)電設(shè)備，其過流部件均要遭到一定范圍的破壞[1]。其中，導(dǎo)葉是關(guān)鍵的導(dǎo)水組件。必須調(diào)整導(dǎo)葉的開口，與蝸殼一同作用。通過蝸殼向轉(zhuǎn)輪供水，讓水流能夠更好地流入轉(zhuǎn)輪[2]。

近些年來，隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)行能力提高，采用CFD仿真技術(shù)對水輪機(jī)全流場進(jìn)行數(shù)值模擬已經(jīng)成為一種重要的研究方法[3-5]。針對水輪機(jī)導(dǎo)葉相關(guān)問題，許多學(xué)者開展了相關(guān)的研究工作。方興等[6]使用Sample算法，以活動導(dǎo)葉中的泥沙濃度和速度為例，對導(dǎo)葉進(jìn)行了磨損研究。馮俊等[7]以貫流式水輪機(jī)為例，提出葉片數(shù)可能影響其性能，確定了最佳的導(dǎo)葉數(shù)。為了分析葉片表面磨損深度與磨損特性兩者的聯(lián)系，Han W等[8]應(yīng)用了新的方法，該方法主要是將導(dǎo)葉的端面和頂蓋兩者間的流動簡化為向后移動的圓形流動。王樂勤等[9]以某水泵水輪機(jī)為例，利用其不同開度的導(dǎo)葉，來觀察其內(nèi)部的流動。高忠信等[10]對溪洛渡水電站水輪機(jī)導(dǎo)葉進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算和導(dǎo)葉抗磨損能力的相關(guān)試驗(yàn)研究并且預(yù)測溪洛渡水電站水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的磨損情況。李琪飛等[11,12]基于SSTk-ε湍流模型及SIMPLEC算法得出導(dǎo)葉頭部位置是磨損最為嚴(yán)重的區(qū)域，并且在制動工況下對水泵水輪機(jī)導(dǎo)葉附近區(qū)域流場進(jìn)行了研究。因此，本文以HLA542-LJ-275水輪機(jī)為例，使用計(jì)算流體力學(xué)CFD對水輪機(jī)全流道進(jìn)行耦合流動計(jì)算，探索導(dǎo)葉內(nèi)部流場情況。

1 數(shù)值計(jì)算

本研究對水電站HLA542-LJ-275水輪機(jī)進(jìn)行三個工況下導(dǎo)葉內(nèi)部流動的研究。

1.1 基本控制方程

研究兩相流或者多相流通常采用歐拉法，其中固相的泥沙作為分散顆粒看作擬流體，水作為連續(xù)性的流體介質(zhì)為液相。

液相連續(xù)方程：

固相連續(xù)方程：

(2)

液相動量方程：

(3)

固相動量方程：

(4)

式中：Ui為液相速度分量；ν為運(yùn)動黏性系數(shù)；B為相間作用系數(shù)；xi為坐標(biāo)分量；P為壓強(qiáng)；Vi為固相速度分量；ρ為密度；g為重力加速度；B0為除Stokes阻力外的因素；φ為相體積數(shù)(φf+φg=1，f腳標(biāo)為液體相，g腳標(biāo)為固體相[13])。

1.2 湍流計(jì)算模型

本研究采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型：

湍動能k方程：

(5)

湍動能擴(kuò)散率ε方程：

(6)

式中：Gb為來自于浮力的湍流動能；GK為平均速度梯度而來的湍流動能；SkSε為定義的源項(xiàng)；YM為因過渡的擴(kuò)散導(dǎo)致耗散率的貢獻(xiàn)[14]。

2 幾何模型及網(wǎng)格劃分

本文所研究的是HLA542-LJ-27混流式水輪機(jī)，數(shù)據(jù)如表1所示。

本文是從水輪機(jī)進(jìn)口到出口的整個全流道。主要研究固定導(dǎo)葉和活動導(dǎo)葉流域，如圖1所示為該水輪機(jī)全流道三維模型圖。

圖1 水輪機(jī)全流道三維圖

本文采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并檢查了其質(zhì)量，對部分質(zhì)量差的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密并重新劃分網(wǎng)格。如圖2為混流式水輪機(jī)全流道三維網(wǎng)格圖。

圖2 水輪機(jī)全流道網(wǎng)格圖

各部件節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)格數(shù)如表2所示。

表2 過流部件相關(guān)參數(shù)

取3個工況來研究該水輪機(jī)導(dǎo)葉流域的流動情況。各工況計(jì)算參數(shù)如表3所示。

表3 各工況計(jì)算參數(shù)

一般入口邊界使用進(jìn)口速度，假定來流與進(jìn)口方向夾角為90°，速度值可用蝸殼進(jìn)口流量除以進(jìn)口斷面面積表示。同時出口邊界可以采用壓力出口，該值與吸出高度有關(guān)，方向垂直于出口面。壁面邊界通常用無滑移邊界。

3 導(dǎo)葉內(nèi)部數(shù)值模擬結(jié)果及分析

如圖3所示，在固定導(dǎo)葉頭部附近，出現(xiàn)了顯著的高壓區(qū)，其壓力為座環(huán)處的最高壓力。從整體上看，在3個工況下導(dǎo)葉流域進(jìn)口到出口，壓力值逐級遞減，壓力變化較為均勻。由于各工況值不同，對應(yīng)不同的導(dǎo)葉開度，使得水流通過的壓力也不同。例如，活動導(dǎo)葉在小流量工況下的開度就很小，堵住了絕大多數(shù)的水，因此該處的壓力相對較大。同樣在設(shè)計(jì)工況下，與大流量工況壓力對比，該處的座環(huán)水壓相對較大。

圖3 各工況座環(huán)壓力分布

由圖3可得，導(dǎo)葉正面泥沙速度呈現(xiàn)逐步遞增的趨勢，導(dǎo)葉頭部下方大多數(shù)地方在葉片高度方向的兩端均都在減少，固定導(dǎo)葉背面的泥沙速度變化趨勢與正面大致相同，但處于背面90%的范圍內(nèi)速度值都極高。當(dāng)導(dǎo)葉處于設(shè)計(jì)工況及大流量工況下，其正背面從頭到尾的泥沙速度都逐步增加，背面大多數(shù)區(qū)域速度都偏大。反之，在小流量工況下，正背面泥沙速度的變化是相反的。各工況對比，小流量工況的速度值最小，大流量工況的速度值最大，且背面的速度值都大于正面。

圖4 各工況下固定導(dǎo)葉泥沙速度分布

如圖5所示，在3個工況下，活動導(dǎo)葉的正面泥沙速度從頭到尾逐步增大，并且速度輪廓幾乎是平行的。處于小流量以及設(shè)計(jì)工況的活動導(dǎo)葉背面泥沙速度變化情況和正面變化一致，并且導(dǎo)葉右半邊的泥沙速度都相當(dāng)大，約為50 m/s。然而處于大流量工況的活動導(dǎo)葉與前兩個工況對比差距很大，其泥沙速度前半段先增加，后半段逐漸降低導(dǎo)葉內(nèi)部2/3的范圍內(nèi)速度值都偏大，在42 m/s左右?？傮w上看，活動導(dǎo)葉背面的泥沙速度大于正面。

圖5 各工況下活動導(dǎo)葉泥沙速度分布

如圖6所示，圖6中數(shù)值為活動導(dǎo)葉泥沙含量體積分?jǐn)?shù)。在小流量工況下，活動導(dǎo)葉中間部分泥沙含量偏少，其正面泥沙含量先減少，后上升，呈環(huán)形，背面泥沙含量幾乎沒有。在設(shè)計(jì)工況下，該泥沙含量只有頭部的較多，導(dǎo)葉背面的泥沙含量和小流量工況下一樣，幾乎沒有。導(dǎo)葉正面從頭部到尾部先降低后升高，尾部有小范圍不均勻，壓力等值線基本平行。在大流量工況下，活動導(dǎo)葉背面泥沙含量較低，正面泥沙分布呈圓環(huán)狀，中心區(qū)域泥沙含量較低。

圖6 3種工況活動導(dǎo)葉正背面泥沙濃度分布

如圖7所示，圖7中數(shù)值為固定導(dǎo)葉泥沙含量體積分?jǐn)?shù)。固定導(dǎo)葉受沙水沖撞，泥沙主要集中在導(dǎo)葉頭部，3個工況的泥沙含量均勻的分布在導(dǎo)葉頭部，都比較少。背面的泥沙含量先逐漸減少，然后增加，在小流量工況下，導(dǎo)葉中部有一定范圍的不均勻，該部位泥沙流經(jīng)固定導(dǎo)葉的沙水繼續(xù)沖刷活動導(dǎo)葉頭部，該部位泥沙含量較高。當(dāng)處于設(shè)計(jì)和大流量工況下，導(dǎo)葉中部均呈現(xiàn)波浪形，且導(dǎo)葉尾部有一定程度的不均勻現(xiàn)象。

圖7 3種工況固定導(dǎo)葉正背面泥沙濃度分布

4 結(jié) 語

本文對水輪機(jī)內(nèi)部進(jìn)行CFD仿真，得到了水輪機(jī)的導(dǎo)葉流域內(nèi)部流場。主要研究成果如下。

(1) 本文采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型模擬水輪機(jī)兩相流，其結(jié)果較好的得到了水輪機(jī)內(nèi)部的流動特性，此結(jié)果對于水輪機(jī)防泥沙磨損設(shè)計(jì)提出了重要的參考價值。

(2) 水輪機(jī)流場及壓力分布均較為平穩(wěn)，最高壓力出現(xiàn)在固定導(dǎo)葉頭部附近，靠近頭部的地方出現(xiàn)了顯著的高壓區(qū)。

(3) 在3種工況下，活動導(dǎo)葉內(nèi)部泥沙濃度最大區(qū)域出現(xiàn)在導(dǎo)葉頭部附近；大流量工況下，固定導(dǎo)葉的泥沙速度較大，設(shè)計(jì)工況下較小。小流量工況下，該值最小，導(dǎo)葉的吸力面速度值最大為50 m/s?；顒訉?dǎo)葉處的泥沙速度均大于固定導(dǎo)葉處的泥沙速度。因此活動導(dǎo)葉頭部和吸力面磨損將最為嚴(yán)重。由此可得，需要對活動導(dǎo)葉采用耐磨蝕的材質(zhì)或噴涂涂層加強(qiáng)防護(hù)。