混流式水輪機(jī)尾水管渦帶及其改善措施研究

管郵現(xiàn)

雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司

1 引言

尾水管的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性是評(píng)估性能和能源性能的第一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。因此，分析部分負(fù)荷條件下的推力氣流特性和渦旋形成機(jī)理非常重要。在過(guò)去的幾年中，國(guó)內(nèi)外許多專(zhuān)家對(duì)混流式水輪機(jī)的流動(dòng)特性進(jìn)行了大量研究，并找到了增加或降低風(fēng)管壓力的方法。下面本文從混流式水輪機(jī)尾水管渦帶計(jì)算模型與數(shù)值方法、混流式水輪機(jī)尾水管渦帶改善措施、混流式水輪機(jī)尾水管渦帶計(jì)算結(jié)果與分析以及混流式水輪機(jī)尾水管渦帶數(shù)值模擬結(jié)果分析等方面對(duì)本課題進(jìn)行分析。

2 混流式水輪機(jī)尾水管渦帶計(jì)算模型與數(shù)值方法

2.1 混流式水輪機(jī)尾水管渦帶幾何模型與網(wǎng)格劃分

設(shè)計(jì)模型是某水電站的高水頭混流式水輪機(jī)。熔體入口相應(yīng)地?cái)U(kuò)大，以確保湍流的充分發(fā)展并使它更接近電流流場(chǎng)的邊界條件，渦輪的幾何參數(shù)如下。

轉(zhuǎn)輪標(biāo)稱(chēng)直徑：

轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)：

導(dǎo)葉數(shù)：

轉(zhuǎn)速：

額定水頭：

額定出力：

轉(zhuǎn)頻：

葉頻：

當(dāng)混流式水輪機(jī)在輕負(fù)載下運(yùn)行時(shí)，側(cè)風(fēng)會(huì)產(chǎn)生偏心軌道渦旋并產(chǎn)生壓力頻率脈沖。因此，本文對(duì)0.5Q 部分負(fù)荷工況下尾水管壓力脈動(dòng)進(jìn)行分析，工況參數(shù)為以下數(shù)據(jù)。

導(dǎo)葉開(kāi)度：

流量：

轉(zhuǎn)速：

考慮到水輪機(jī)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，選擇了一個(gè)靈活的，不規(guī)則的四面體網(wǎng)格，并在局部流體梯度完全改變的區(qū)域?qū)W(wǎng)格進(jìn)行了改進(jìn)。為了測(cè)試網(wǎng)絡(luò)是否有效共享并滿(mǎn)足計(jì)算機(jī)的確切要求，我們從七組中創(chuàng)建了全通道渦輪模型，并選擇了不同的網(wǎng)格尺寸。分別比較靜態(tài)計(jì)算的性能特征。隨著網(wǎng)絡(luò)的增加，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)量增加到400萬(wàn)時(shí)，效率的值實(shí)際上不會(huì)改變并達(dá)到指定值。這表明當(dāng)前對(duì)網(wǎng)絡(luò)的增長(zhǎng)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)挠?jì)算并且影響很小。為了確保計(jì)算結(jié)果的可靠性，應(yīng)盡可能減少網(wǎng)絡(luò)數(shù)量，以減少計(jì)算時(shí)間。計(jì)算確定該通道整個(gè)計(jì)算機(jī)域中的網(wǎng)格單元數(shù)最終為4468890。

2.2 混流式水輪機(jī)尾水管渦帶數(shù)值計(jì)算方法

為了更好地可視化水輪機(jī)渦帶數(shù)值，以使用它來(lái)計(jì)算和分析總非晶流體以及基于雷諾平均值的Navier stokes 方程。選擇了RNGk湍流模型作為湍流方程的封閉模型，以對(duì)水輪機(jī)井中的分離和渦流建模，因?yàn)镽NGk湍流模型可以很好地考慮到壁面上的大尺度分離。在計(jì)算之前，設(shè)置邊界條件，并指定質(zhì)量流量的壓力邊界條件，入口條件以及零件入口和出口壓力。在轉(zhuǎn)輪和倒液活動(dòng)的情況下，它在可尾流管之間提供動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的連接界面。

在模擬不穩(wěn)定的常數(shù)值之前，請(qǐng)模擬一個(gè)常數(shù)常量并將靜態(tài)計(jì)算的結(jié)果用作初始常數(shù)值。通過(guò)計(jì)算不確定性常數(shù)的值，將組合的動(dòng)態(tài)和固定接口置于臨時(shí)轉(zhuǎn)輪凍結(jié)模式。對(duì)于每3°的轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)彎，一次是一個(gè)步驟，一次是0.001，將每個(gè)步驟的剩余時(shí)間都設(shè)置為10-4。計(jì)算4 圈的時(shí)間，因此計(jì)算結(jié)果保持不變。所以，水輪機(jī)在前四個(gè)循環(huán)中具有恒定的流場(chǎng)，相應(yīng)地計(jì)算接下來(lái)的7 個(gè)周期。選擇以分析最近7 個(gè)周期的仿真數(shù)據(jù)。通過(guò)分析設(shè)計(jì)的脈沖壓力，描述各種操作條件下設(shè)計(jì)內(nèi)部領(lǐng)域的脈沖規(guī)則[1]。

3 混流式水輪機(jī)尾水管渦帶改善措施

3.1 混流式水輪機(jī)尾水管渦帶壓力脈動(dòng)改善原理

大量研究表明，混流式水輪機(jī)尾水管渦輪壓力脈動(dòng)的改善可防止投射管偏離并在投射管中產(chǎn)生低壓脈動(dòng)。脈沖頻率只是低速的一小部分。但是，它會(huì)影響設(shè)備的安全可靠運(yùn)行，從而導(dǎo)致脈沖振動(dòng)和輸出振動(dòng)。由于偏心渦流的初始位置位于尾流管出口，因此在尾流管出口處需要具有合適的液壓系統(tǒng)，讓出口顆粒在渦流真空管內(nèi)起作用，以防止形成單個(gè)旋轉(zhuǎn)渦流核。這可以通過(guò)某種方式進(jìn)行改進(jìn)由于旋轉(zhuǎn)和壓力引起的波紋。

3.2 混流式水輪機(jī)尾水管渦帶改善壓力脈動(dòng)方案

脈動(dòng)調(diào)節(jié)主要通過(guò)降低齒輪比和降低連續(xù)運(yùn)行期間的渦旋速度來(lái)執(zhí)行。在本文中，我們主要分析這三種方法對(duì)尾水管的低頻和低脈沖頻率的影響。選項(xiàng)1用于Purcon擴(kuò)展，平面2的軸向出口旨在干擾水流。方案3由加長(zhǎng)泄水錐的流量和軸的延長(zhǎng)數(shù)倍組成，用于水的軸向流動(dòng)的入口的方法在于改變泄水錐的出口通道的一部分，從溶質(zhì)中提取水。水流通過(guò)上殼體和主軸法蘭進(jìn)入泄水錐的出口，最后進(jìn)入軸的為水管。這干擾了為水管的渦流場(chǎng)。非均勻3D 常量（例如上述仿真方法）使用總通道電流來(lái)計(jì)算這三種方法，并分析不同吃水改進(jìn)計(jì)劃的壓力脈動(dòng)影響。

4 混流式水輪機(jī)尾水管渦帶計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 原型水輪機(jī)計(jì)算結(jié)果分析

由于脈沖振動(dòng)，由渦帶產(chǎn)生的壓力是水輪機(jī)振動(dòng)重要的因素。在圖1示出了在部分負(fù)載條件下的混流水輪機(jī)的設(shè)計(jì)和排放測(cè)試期間觀察到的渦帶結(jié)構(gòu)。由該圖可知，當(dāng)前的渦旋渦旋位于泄水錐的右側(cè)，與水輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)中心不同，渦帶的中心與手柄的旋轉(zhuǎn)方向重合。這時(shí)，水導(dǎo)管的主脈沖頻率為2.05 Hz，是低電壓脈沖速度的四分之一。

圖1 水輪機(jī)模型試驗(yàn)觀測(cè)與計(jì)算尾水管渦帶

為了檢查本文檔中許多計(jì)算結(jié)果的有效性，將測(cè)試模型數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。圖2顯示了從模型測(cè)試和數(shù)值模擬獲得的脈沖壓力。從該圖可以看出，基本脈沖頻率的數(shù)值模擬結(jié)果與模型測(cè)試的結(jié)果吻合良好。

圖2 試驗(yàn)和模擬結(jié)果對(duì)比

4.2 混流式水輪機(jī)尾水管渦帶壓力脈動(dòng)幅值與頻譜分析

為了更系統(tǒng)地研究尾水管中的壓力波動(dòng)，在每種方法中，取決于尾水管中的壓力控制點(diǎn)，在將壓力施加到尾水管之前，執(zhí)行快速傅里葉變換以指示變化。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)幅值和頻率對(duì)比如下：原型水輪機(jī)監(jiān)測(cè)點(diǎn)A：主頻2.05Hz、幅值10996Pa，監(jiān)測(cè)點(diǎn)D：主頻2.05Hz、幅值24167Pa；方案1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)A：主頻2.05Hz、幅值9507Pa，監(jiān)測(cè)點(diǎn)D：主頻2.05Hz、幅值23608Pa；方案2監(jiān)測(cè)點(diǎn)A：主頻2.37Hz、幅值9453Pa，監(jiān) 測(cè)點(diǎn)D：主頻3.37Hz、幅值21253Pa；方案3監(jiān)測(cè)點(diǎn)A：主頻2.5Hz、幅值5460Pa，監(jiān)測(cè)點(diǎn)D：主頻2.5Hz、幅值16320Pa。該對(duì)比顯示每種方法的主脈沖頻率與水輪機(jī)原型的主脈沖頻率不同，并且每種方法的脈沖均為低頻。同一步驟中不同控制點(diǎn)的脈沖壓力基本頻率相同。同時(shí)，可以看出，三個(gè)改進(jìn)措施可以有效地減少重復(fù)壓力。另一方面，選項(xiàng)3的糾正效果最好。

方案1中，在尾水管的直椎管段部分中的壓力控制脈沖B的幅度顯著減小，但是在傾斜部分n′中的控制點(diǎn)C 處的壓力脈動(dòng)的幅度沒(méi)有顯著減小。這意味著加長(zhǎng)泄水錐可以減小尾水管中直椎管處的渦帶，并且難以對(duì)尾水管的彎曲部分的渦流帶進(jìn)行制動(dòng)效果。圖2顯示，在B監(jiān)測(cè)中壓力脈動(dòng)的減少小于在C監(jiān)測(cè)中包含脈動(dòng)的減少，中斷水力作用對(duì)腕肘的壓力具有更好地抑制作用。根據(jù)以上分析，可以認(rèn)為方案3的校準(zhǔn)步驟對(duì)于減輕渦流最有效。結(jié)果表明，根據(jù)水輪機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)，通過(guò)選擇加長(zhǎng)泄水錐和水力干預(yù)的方法，可以比當(dāng)前增加對(duì)流長(zhǎng)度的方法或僅使用水力干預(yù)的方法更為有效。

4.3 混流式水輪機(jī)尾水管渦帶各方案效率分析

分析這三個(gè)改進(jìn)措施對(duì)混輪式水輪機(jī)效率的影響，分別計(jì)算了原型水輪機(jī)和改裝水輪機(jī)的效率。經(jīng)計(jì)算，水輪機(jī)的效率可以保持不變，達(dá)到92.5%，在圖1 中，水輪機(jī)的效率為4.43%，在圖2 中為90.74%。相比之下，水輪機(jī)的效率最低。這可能是由于流速增加了對(duì)尾水管向溶質(zhì)的噴射所需要的水力干預(yù)。由于液體不通過(guò)葉輪，因此水輪機(jī)效率降低。

5 混流式水輪機(jī)尾水管渦帶數(shù)值模擬結(jié)果分析

對(duì)長(zhǎng)葉片混流式水輪機(jī)上的水輪機(jī)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，同時(shí)對(duì)真空錐，軸向水力張緊和較長(zhǎng)的真空晶粒以及軸向水力擾動(dòng)進(jìn)行了研究。

（1）在部分負(fù)荷下，由于弱電流，推力將在轉(zhuǎn)子外部沿相同方向形成一個(gè)環(huán)，并且水流過(guò)偏心軌道渦旋的中心，偏心路徑衰減是由于低頻脈沖。

（2）擴(kuò)大尾水管的直錐管段部分和彎曲部分中的壓力流量對(duì)壓力脈動(dòng)幅值有很大的影響，可以有效地減少?gòu)澒芏沃械钠膲毫﹂g隙。這對(duì)壓力波動(dòng)的幅度影響很小。渦流沿著泄水錐出口的長(zhǎng)度引入下流區(qū)域。加長(zhǎng)泄水錘措施可以通過(guò)減小拉伸過(guò)程中的渦旋力來(lái)提高裝置的穩(wěn)定性。

（3）三種改善措施均會(huì)降低水輪機(jī)的效率。持續(xù)的泄水椎排放和水力干擾的結(jié)合是主要影響水輪機(jī)的性能的因素。這比原型水輪機(jī)少2.21%。

（4）排水和水力干預(yù)的長(zhǎng)期結(jié)合會(huì)影響設(shè)備的效率，因此需要做出正確的選擇才能有效地使用它的干擾流速和長(zhǎng)度[2]。

6 結(jié)束語(yǔ)

混流式水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組通過(guò)飲水是盡量地將管道中的水均勻地分配到轉(zhuǎn)輪前導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，并利用導(dǎo)液來(lái)控制水流量，當(dāng)水流過(guò)斜槽且能量轉(zhuǎn)換完成時(shí)，水將流入斜槽側(cè)面的尾水管。流向混流式水輪機(jī)葉輪出口的水量減少，葉輪入口與出口之間的能隙增加，這增加了使用的總能量。尾水管是水輪機(jī)不可或缺的一部分，其性能和耐用性直接影響混流式水輪機(jī)的高效和可靠運(yùn)行。