沙河抽水蓄能電站技改轉(zhuǎn)輪空化特性分析

李遠(yuǎn)余，楊衛(wèi)彬，2，鄭智穎，張 韜，2，李金朋

(1.哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150040；2.水力發(fā)電設(shè)備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱大電機(jī)研究所)，黑龍江 哈爾濱 150040；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

空化現(xiàn)象普遍發(fā)生在以液體為工作介質(zhì)的葉片式流體機(jī)械中，也是導(dǎo)致水力機(jī)械水力性能下降、壽命縮短、振動(dòng)噪聲加劇的主要原因[1]，在個(gè)別電站會(huì)伴隨裂紋等缺陷的發(fā)生，給電站帶來極大的安全隱患.特別是水泵水輪發(fā)電機(jī)組兼具水頭高、工況轉(zhuǎn)換頻繁、雙向水流等特性，對(duì)機(jī)組穩(wěn)定性的要求更高，無空化運(yùn)行的保證更為至關(guān)重要.因此，對(duì)水泵水輪機(jī)開展空化特性分析研究，可為提升水泵水輪機(jī)整體性能和抗空化特性提供有力依據(jù).

目前，空化特性已成為衡量大型水力機(jī)組性能的重要指標(biāo)，水泵水輪機(jī)在早期應(yīng)用時(shí)，就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)水泵工況空化性能比水輪機(jī)工況空化性能差[2].這是因?yàn)樾钅軝C(jī)組在水泵工況運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)輪低壓側(cè)壓力較低，當(dāng)空化系數(shù)降低到某一程度時(shí)葉片低壓處氣核會(huì)膨脹而后潰滅，在此過程中，氣穴附近的流體會(huì)極速占據(jù)空泡位置形成高強(qiáng)度射流，而射流作用到固體表面時(shí)，會(huì)使其產(chǎn)生疲勞破壞，也就是空化現(xiàn)象[3-4].空化現(xiàn)象一般出現(xiàn)在非設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，并且當(dāng)水泵水輪機(jī)運(yùn)行工況改變時(shí)，空化自身及其引起的流動(dòng)狀態(tài)也會(huì)發(fā)生改變，空化的發(fā)生及發(fā)展會(huì)嚴(yán)重影響水泵水輪機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行[5].空化初生時(shí)，機(jī)組所受影響較小，外特性不隨空化系數(shù)而線性變化；但隨著空化程度加劇，空泡形成的固定結(jié)構(gòu)會(huì)阻塞流道，導(dǎo)致流量及輸出功率降低，從而導(dǎo)致水力效率陡然下降.水力機(jī)組中的振動(dòng)和噪聲問題往往也與空泡潰滅時(shí)對(duì)邊壁的沖擊有關(guān)[6].另外，空化形成的結(jié)構(gòu)干擾了主流區(qū)的流動(dòng)，使流道變得狹窄、摩擦阻力增大，這些因素都會(huì)導(dǎo)致水泵水輪機(jī)水力性能的降低[7].在水流動(dòng)過程中，空泡的發(fā)生和潰滅都將會(huì)使水力機(jī)械內(nèi)部流場(chǎng)產(chǎn)生湍流并引起較強(qiáng)的壓力脈動(dòng)，對(duì)機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成威脅.

本文首先從水泵水輪機(jī)產(chǎn)生空化機(jī)理的理論角度出發(fā)并結(jié)合沙河電站轉(zhuǎn)輪實(shí)際空蝕情況，闡述了沙河電站原轉(zhuǎn)輪發(fā)生空化的原因，介紹了提高轉(zhuǎn)輪抗空化性能方面采取的措施，然后通過全流道CFD(Computational Fluid Dynamics)模擬對(duì)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后針對(duì)優(yōu)化后的模型轉(zhuǎn)輪開展了模型試驗(yàn).相關(guān)措施及經(jīng)驗(yàn)可為后續(xù)類似蓄能機(jī)組改造提供重要參考意見，并為推進(jìn)我國抽水蓄能電站建設(shè)作出相應(yīng)貢獻(xiàn).

1 轉(zhuǎn)輪技改概述

1.1 電站簡介

沙河抽水蓄能電站位于江蘇省溧陽市天目湖境內(nèi)，電站安裝兩臺(tái)立式單級(jí)混流可逆式水泵水輪發(fā)電機(jī)組(型號(hào)：HLN221-LJ-332)，并先后于2002年6月和7月開始投入商業(yè)運(yùn)行.電站總裝機(jī)容量100 MW，單機(jī)容量50 MW，年設(shè)計(jì)發(fā)電量1.82億kW·h.沙河電站在江蘇電網(wǎng)中承擔(dān)著電網(wǎng)的調(diào)峰填谷、事故備用、調(diào)相及黑啟動(dòng)等任務(wù)，電站基本參數(shù)如表1所示.

表1 沙河抽水蓄能電站基本參數(shù)

1.2 轉(zhuǎn)輪空蝕情況

沙河電站自2009年起，分別在機(jī)組檢修期間發(fā)現(xiàn)兩臺(tái)機(jī)組轉(zhuǎn)輪存在不同程度的空蝕缺陷，葉片表面堆焊層孔洞處的氣泡潰滅加速了空蝕發(fā)展，進(jìn)而誘發(fā)葉片裂紋，如圖1所示.空蝕與裂紋相互作用擴(kuò)展迅速.電站為防止缺陷快速擴(kuò)展，于2010年～2011年檢修和2012年～2013年A修期間，對(duì)較深的空蝕區(qū)域和轉(zhuǎn)輪角焊縫上的裂紋進(jìn)行了局部維修和處理.但在2014年～2016年機(jī)組檢修期間發(fā)現(xiàn)兩臺(tái)轉(zhuǎn)輪在修復(fù)部位仍有不同程度的空蝕及裂紋出現(xiàn)，特別是1#機(jī)5號(hào)葉片上的部分裂紋已深入母材.

圖1 轉(zhuǎn)輪葉片空蝕情況

電站多次維修處理結(jié)果表明，僅通過維修不能改善轉(zhuǎn)輪空化特性并徹底消除轉(zhuǎn)輪裂紋隱患，相反維修補(bǔ)焊所產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力間接加速了裂紋擴(kuò)展，使機(jī)組運(yùn)行在空化更加劇烈的條件下.

1.3 原轉(zhuǎn)輪空蝕原因分析

為了徹底消除轉(zhuǎn)輪空蝕、裂紋現(xiàn)象，本文中首先分析了沙河電站轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生空化及裂紋現(xiàn)象的根本原因，主要包括設(shè)計(jì)和制造工藝控制不嚴(yán)兩方面，這將為徹底提升轉(zhuǎn)輪空化特性奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).

1.3.1 設(shè)計(jì)原因分析

根據(jù)水泵水輪機(jī)無空化運(yùn)行要求，在水泵工況正常運(yùn)行條件下(頻率為49.8 Hz～50.5 Hz)，電站空化系數(shù)σP大于初生空化系數(shù)σi.而據(jù)相關(guān)資料反應(yīng)，沙河電站原轉(zhuǎn)輪存在設(shè)計(jì)缺陷，轉(zhuǎn)輪空化特性較差，部分水泵工況空化安全倍數(shù)不足.究其原因是原廠商當(dāng)時(shí)無適合沙河電站100 m水頭段的儲(chǔ)備模型轉(zhuǎn)輪，且水力模型研發(fā)受制造和工期等因素限制，在沒能取得最理想模型轉(zhuǎn)輪的情況下就投入生產(chǎn).模型試驗(yàn)結(jié)果顯示，水泵水輪機(jī)效率、壓力脈動(dòng)、駝峰余量等關(guān)鍵性能指標(biāo)均滿足合同要求，但部分水泵工況空化結(jié)果不滿足合同要求.圖2給出了前期試驗(yàn)與驗(yàn)收試驗(yàn)中水泵工況模型空化試驗(yàn)結(jié)果，在單位流量小于335 L/s的全揚(yáng)程范圍及流量大于335 L/s的下庫低水位揚(yáng)程范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)輪初生汽蝕余量NPSHi大于電站汽蝕余量NPSHp，即水泵是處于有空化的情況下運(yùn)行的.因此，空化安全余量不足是造成沙河電站轉(zhuǎn)輪空蝕的根本原因.

圖2 水泵工況空化試驗(yàn)結(jié)果(圖中NPSHc為臨界汽蝕余量)

1.3.2 制造原因分析

由于模型試驗(yàn)結(jié)果顯示轉(zhuǎn)輪在部分工況下空化性能不合格，驗(yàn)收專家組建議原廠商從材質(zhì)和制造工藝中加以彌補(bǔ).原廠商采取增加抗空蝕層作為彌補(bǔ)措施，即在轉(zhuǎn)輪出水邊(水泵工況進(jìn)水邊)增加堆焊層，該堆焊層焊后維氏硬度為250～280，厚度為3 mm，范圍為距水輪機(jī)出口100 mm，向水輪機(jī)進(jìn)口方向延伸700 mm，向葉片方向延伸540 mm，向下環(huán)方向延伸60 mm.但原廠商在轉(zhuǎn)輪增加堆焊層時(shí)，焊接工藝控制不夠嚴(yán)格，堆焊層和母材之間存在孔洞、未焊透、未融合等諸多焊接缺陷.葉片表面存在孔洞等缺陷直接促進(jìn)了氣泡的潰滅，是導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪出現(xiàn)空蝕及裂紋等缺陷的另一個(gè)重要原因[8].

另外，在水泵工況空化試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)各個(gè)葉片的氣泡狀態(tài)不完全一樣，分析可能是模型翼型加工差異過大引起，據(jù)此推斷原型葉片間差異也可能是造成空蝕的一個(gè)因素.

2 CFD優(yōu)化結(jié)果及分析

2.1 數(shù)值方法

隨著CFD的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的提高，采用數(shù)值模擬計(jì)算方法預(yù)測(cè)水力機(jī)械的空化流動(dòng)已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)[9-10].Tao等[11]對(duì)水泵水輪機(jī)工況的空化特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，數(shù)值計(jì)算對(duì)空化產(chǎn)生的位置和范圍具有較高的模擬精度.本文利用CFD模擬針對(duì)典型工況完成了沙河水泵水輪機(jī)全流道(包括蝸殼、固定導(dǎo)葉及活動(dòng)導(dǎo)葉，轉(zhuǎn)輪以及尾水管)的水力優(yōu)化分析，在保持其它關(guān)鍵指標(biāo)不變的前提下，重點(diǎn)開展水泵水輪機(jī)的空化特性優(yōu)化.為此主要針對(duì)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行了改型，在保持高壓邊直徑與低壓邊直徑不變的基礎(chǔ)上，通過改變?nèi)~形和延展葉片低壓邊來控制速度三角形，從而改善轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)，減小葉片表面壓力梯度，具體效果如圖3和圖4所示.流態(tài)改善和壓力梯度減小均可提高轉(zhuǎn)輪的抗空化能力，減小初生汽蝕余量NPSHi.基于上述思路設(shè)計(jì)了多個(gè)轉(zhuǎn)輪，并針對(duì)這些轉(zhuǎn)輪開展全流道CFD模擬，最終通過對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析得到優(yōu)化模型轉(zhuǎn)輪.數(shù)值模擬中采用的水泵工況和水輪機(jī)工況的計(jì)算工況見表2，全流道計(jì)算模型如圖5所示.

圖3 優(yōu)化前后葉形對(duì)比

表2 水泵工況和水輪機(jī)工況下的全流道數(shù)值模擬計(jì)算工況

圖4 優(yōu)化前后軸面對(duì)比圖5 全流道計(jì)算模型

數(shù)值模擬計(jì)算中湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型[12]，固體表面采用無滑移條件，近壁區(qū)采用壁面函數(shù)法對(duì)流動(dòng)進(jìn)行處理.水泵和水輪機(jī)兩種運(yùn)行工況下均采用質(zhì)量流量作為進(jìn)口邊界條件，來流方向均為法向入流；出口均采用相對(duì)靜壓，參考?jí)毫? Pa作為出口邊界條件.計(jì)算域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，詳細(xì)的網(wǎng)格劃分情況如圖6所示.本文針對(duì)不同的網(wǎng)格尺度，生成多套不同的全流道網(wǎng)格.以此對(duì)水輪機(jī)設(shè)計(jì)工況進(jìn)行了模擬計(jì)算，通過效率η特性的比較進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，最終采用的網(wǎng)格系統(tǒng)中的各部件網(wǎng)格數(shù)如表3所示.

圖6 水泵水輪機(jī)網(wǎng)格劃分示意圖

表3 各部件網(wǎng)格數(shù)

為了驗(yàn)證本文所建立的數(shù)值模擬計(jì)算方法的準(zhǔn)確性和可行性，針對(duì)水頭105 m時(shí)水輪機(jī)工況下50%～100%額定負(fù)荷范圍內(nèi)6個(gè)工況和揚(yáng)程98 m～123 m范圍內(nèi)的6個(gè)水泵工況進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，如圖7所示.從圖中可以看出，數(shù)值模擬得到的水輪機(jī)工況和水泵工況效率隨流量的變化與模型試驗(yàn)得到的結(jié)果有相同的趨勢(shì)，且模型試驗(yàn)得到的效率均略低于數(shù)值模擬得到的效率，最大絕對(duì)差距為1.45%，考慮到模型試驗(yàn)中存在的容積、水力、機(jī)械及圓盤等損失，模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果之間的差距在合理范圍內(nèi)，從而驗(yàn)證了本文中數(shù)值模擬方法的正確性.

圖7 數(shù)值模擬方法驗(yàn)證

2.2 水輪機(jī)工況數(shù)值模擬結(jié)果

優(yōu)化模型轉(zhuǎn)輪水輪機(jī)工況全流道數(shù)值模擬結(jié)果如圖8所示.從圖8(a)可以看出，轉(zhuǎn)輪與活動(dòng)導(dǎo)葉之間壓力分布無突變，蝸殼內(nèi)部壓力分布變化均勻，說明水輪機(jī)工況下因動(dòng)靜干涉引起的無葉區(qū)壓力脈動(dòng)和蝸殼內(nèi)部壓力脈動(dòng)均處在很低的水平.從圖8(b)可以看出，雙列葉柵內(nèi)速度矢量分布無沖擊，蝸殼內(nèi)速度矢量分布無渦流，說明雙列葉柵和蝸殼內(nèi)流動(dòng)損失很小.從葉片表面壓力分布(圖8(c)和8(d))和流線圖(圖8(e)和8(f))可以看出，轉(zhuǎn)輪葉片表面壓力梯度變化均勻，轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流線分布流暢無彎曲，說明轉(zhuǎn)輪有較高的效率水平.

圖8 水輪機(jī)工況流場(chǎng)

2.3 水泵工況數(shù)值模擬結(jié)果

混流式水泵水輪機(jī)以水泵工況作為機(jī)組空化考核指標(biāo).水泵工況全流道數(shù)值模擬結(jié)果如圖9所示.從圖9(a)可以看出，機(jī)組中心線平面壓力分布均勻，轉(zhuǎn)輪與活動(dòng)導(dǎo)葉之間壓力分布無突變，說明水泵工況下因動(dòng)靜干涉引起的無葉區(qū)壓力脈動(dòng)很??；蝸殼內(nèi)部壓力分布變化均勻，說明蝸殼內(nèi)部壓力脈動(dòng)也處在很低的水平.從速度矢量圖(圖9(b))可以看出，機(jī)組中心線平面速度矢量分布整齊合理，雙列葉柵內(nèi)速度矢量分布無沖擊，蝸殼內(nèi)速度矢量分布無渦流，說明雙列葉柵和蝸殼內(nèi)的流動(dòng)損失很小.從圖9(c)至9(f)可以看出，轉(zhuǎn)輪葉片表面壓力梯度變化均勻，轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流線分布流暢無彎曲，說明轉(zhuǎn)輪有較高的效率水平.葉片最低壓力大小適中且分布位置合理，預(yù)示轉(zhuǎn)輪具有較好的空化性能.為了定量評(píng)價(jià)空化性能，公式(1)～公式(3)給出了汽蝕基本方程，當(dāng)NPSHp小于NPSHi時(shí)，水泵水輪機(jī)即發(fā)生汽蝕.

圖9 水泵工況流場(chǎng)

NPSHp=NPSHi

(1)

NPSHp=Hamb-Hva-Zc+Zl-ΔHd

(2)

(3)

公式中：Hamb為環(huán)境壓力對(duì)應(yīng)的水頭，其值為10.352 m；Hva為水的汽化壓力對(duì)應(yīng)的水頭，其值為0.204 m；Zc為安裝高程，其值為-8.0 m；Z1為下游運(yùn)行水位，其值為15.0 m；ΔHd為下游損失，本文中忽略不計(jì)；v0為數(shù)值計(jì)算中的進(jìn)口流速，其值為9.9 m/s；ω0為數(shù)值計(jì)算中的相對(duì)速度，其值為14.6 m/s；λ為壓降系數(shù)，其值為1.8 m.由此可計(jì)算得到NPSHp=33.1 m，NPSHi=24.6 m，空化倍數(shù)NPSHp/NPSHi=1.34，滿足水泵水輪機(jī)無空化運(yùn)行要求，轉(zhuǎn)輪空化性能優(yōu)異.

3 水泵工況空化試驗(yàn)結(jié)果

在獲得理想CFD結(jié)果之后針對(duì)優(yōu)化模型轉(zhuǎn)輪開展了模型試驗(yàn)，結(jié)果表明水泵水輪機(jī)效率、壓力脈動(dòng)、駝峰余量等關(guān)鍵性能指標(biāo)均滿足合同要求.其中，水泵工況空化試驗(yàn)在規(guī)定的揚(yáng)程、輸入功率和頻率下進(jìn)行，空化試驗(yàn)覆蓋整個(gè)水泵工況運(yùn)行范圍.水泵正常運(yùn)行工況下的空化系數(shù)范圍如圖10所示.部分空化試驗(yàn)結(jié)果如表4所示.

圖10 水泵正常運(yùn)行工況下空化系數(shù)范圍

表4 水泵工況空化試驗(yàn)結(jié)果

從圖10和表4中可以看出，在電站正常運(yùn)行條件下，水泵水輪機(jī)在水泵工況下具有足夠的空化安全余量.在正常運(yùn)行范圍內(nèi)，電站空化系數(shù)σP與臨界空化系數(shù)σc的比值大于1.4，電站空化系數(shù)σP與初生空化系數(shù)σi的比值大于1.05，滿足合同要求且空化性能優(yōu)良，可保證機(jī)組在無空化狀態(tài)下安全運(yùn)行，完全滿足水泵水輪機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求.

4 結(jié) 論

為了徹底消除沙河電站轉(zhuǎn)輪空蝕和裂紋現(xiàn)象，結(jié)合原轉(zhuǎn)輪實(shí)際空蝕情況，分析了空化發(fā)生的原因，通過全流道CFD模擬對(duì)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和水力分析，并對(duì)優(yōu)化模型轉(zhuǎn)輪開展了模型試驗(yàn).主要得到以下結(jié)論：

(1)原水泵水輪機(jī)空化特性差和制造工藝不嚴(yán)是沙河電站原轉(zhuǎn)輪空化的根本原因.

(2)CFD模擬結(jié)果表明，優(yōu)化后的轉(zhuǎn)輪壓力脈動(dòng)較小，效率水平較高，葉片表面壓力分布均勻、無突變，最低壓力分布合理，空化性能優(yōu)異.

(3)模型試驗(yàn)結(jié)果表明，轉(zhuǎn)輪優(yōu)化后水泵水輪機(jī)的各項(xiàng)指標(biāo)全部滿足合同要求，綜合性能優(yōu)良；在水泵工況正常運(yùn)行范圍內(nèi)，電站空化系數(shù)σP與臨界空化系數(shù)σc的比值大于1.4，電站空化系數(shù)σP與初生空化系數(shù)σi的比值大于1.05，完全滿足電站無空化運(yùn)行的要求.