不同導(dǎo)葉開度下混流式水輪機尾水管內(nèi)部流動及壓力脈動分析

任海波,余 波,王 奎,王羅斌

(1.西華大學(xué)流體及動力機械教育部重點實驗室,四川 成都 610039;2.西華大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,四川 成都 610039)

隨著“雙碳”目標的提出,中國水電發(fā)展迎來了新的機遇?；炝魇剿啓C向大容量、高比轉(zhuǎn)速、高效率方向發(fā)展,與此同時,機組運行安全穩(wěn)定性問題日益突出,其中尾水管渦帶引起的壓力脈動是導(dǎo)致機組產(chǎn)生振動的原因之一[1]?；顒訉?dǎo)葉是導(dǎo)水機構(gòu)中重要的過流部件,具有調(diào)節(jié)水輪機功率和關(guān)閉轉(zhuǎn)輪進口水流的作用,水輪機通過控制活動導(dǎo)葉的開度來調(diào)節(jié)流量及水流環(huán)量,從而實現(xiàn)調(diào)整水輪機出力的目標[2-3]。

早期國內(nèi)一些學(xué)者采用PIV技術(shù)對水輪機內(nèi)部流動開展研究并取得一些重要成果。李丹等[4]采用PIV技術(shù)對水輪機尾水管錐管內(nèi)部流場進行測量,并對測量數(shù)據(jù)進行處理,得到了尾水管錐管內(nèi)流線圖和速度分布圖。王軍等[5-7]采用2D-PIV測試技術(shù)對4H尾水管不同位置內(nèi)部流場進行測試,通過對尾水管測試位瞬態(tài)速度測試數(shù)據(jù)進行時均處理,得到了不同測試位置上內(nèi)流流動的渦量、速度分布和流線分布,研究結(jié)果為尾水管內(nèi)部流動CFD理論分析提供參考,驗證了2D-PIV測試方法是水力機械內(nèi)部流場測試的一種可靠手段。鄧萬權(quán)[8]采用PIV技術(shù)對混流式模型水輪機尾水管進行流場試驗,通過對測試數(shù)據(jù)進行分析得到了尾水管內(nèi)部流動壓力及速度分布規(guī)律。

CFD數(shù)值模擬技術(shù)隨計算機技術(shù)的快速發(fā)展,在水輪機水力特性研究及優(yōu)化設(shè)計方面得到廣泛應(yīng)用,許多學(xué)者利用數(shù)值仿真技術(shù)對水輪機尾水管渦帶及壓力脈動開展了研究工作。史廣泰等[9]通過對不同水頭下混流式水輪機尾水管內(nèi)部流動進行數(shù)值模擬,結(jié)果發(fā)現(xiàn)尾水管負壓區(qū)的空化渦帶會導(dǎo)致水輪發(fā)電機組發(fā)生振動。鄭源等[10]通過分析不同工況下貫流式水輪機內(nèi)部壓力脈動特性,研究結(jié)果表明:尾水管渦帶是引起水輪機內(nèi)部低頻壓力脈動的主要原因,并提出一種改善尾水管低頻脈動的方案。朱李等[11-12]采用CFD仿真方法對長短式葉片混流式水輪機內(nèi)部流場進行數(shù)值計算,分析發(fā)現(xiàn),導(dǎo)葉開度增加時,轉(zhuǎn)輪進出口流場會有所改善,同時尾水管內(nèi)渦旋流動增強,肘管段和擴散段繞流增大。鐘林濤等[13]采用三維非定常雷諾時均法對混流式水輪機全流道進行數(shù)值模擬,結(jié)果表明,轉(zhuǎn)輪出口旋流數(shù)大于臨界值時會導(dǎo)致尾水管產(chǎn)生螺旋形渦帶。王彤彤等[14]采用RANS-LES分析方法得到了混流式水輪機在變速運行模式下的尾水管渦帶與壓力脈動分布特性,研究結(jié)果可為水輪發(fā)電機組運行管理提供參考。張興等[15]通過對加長泄水錐以及不同流量水力干擾3種改進方案下的混流式水輪機全流道進行非定常數(shù)值模擬研究,結(jié)果表明,偏心回轉(zhuǎn)渦帶會誘發(fā)尾水管低頻壓力脈動,從而引起水輪發(fā)電機組發(fā)生振動,采用加長泄水錐的方法可以減小尾水管處的偏心負壓區(qū)域,同時可以降低尾水管渦帶強度。郭濤等[16]采用滑移網(wǎng)格技術(shù)以及SST k-ω湍流模型對混流式水輪機進行數(shù)值模擬計算,研究結(jié)果表明:不同來流條件下的尾水管渦帶形態(tài)各異,螺旋形渦帶對尾水管內(nèi)部流場影響較大,尾水管渦帶呈現(xiàn)典型的低頻高幅特征。

目前國內(nèi)對混流式水輪機內(nèi)部流動及壓力脈動研究已較多,但大多數(shù)研究立足于理論分析,而理論分析與實際工程相結(jié)合的實踐研究較少[17-19]。本文在西南某電站擴容改造的背景下,針對電站技術(shù)升級更換新轉(zhuǎn)輪后,采用CFD數(shù)值模擬技術(shù),基于SST k-ω湍流模型開展水輪機三維全流道內(nèi)部流動及壓力脈動研究,通過對不同導(dǎo)葉開度下尾水管內(nèi)部流動進行分析,并采用快速傅里葉變換(FFT)對尾水管各監(jiān)測點壓力脈動數(shù)據(jù)進行處理,為該電站投產(chǎn)后水力發(fā)電機組安全穩(wěn)定運行提供參考依據(jù)。

1 研究對象

1.1 水輪機基本情況

本文以西南某電站混流式水輪機為研究對象,水輪機型號為HLD126-LJ-145,轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)13個,固定導(dǎo)葉數(shù)8個,活動導(dǎo)葉數(shù)16個,額定轉(zhuǎn)速600 r/min,吸出高度-6.2 m,運行最高水頭190 m,最低水頭130 m,額定水頭160 m。

1.2 模型建立及網(wǎng)格劃分

采用Unigraphics NX軟件建立混流式水輪機全流道計算域水體模型,水輪機過流部件包括蝸殼、固定導(dǎo)葉、活動導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪體和尾水管,各過流部件見圖1,建模時對蝸殼進口和尾水管出口進行合理延伸以獲得水輪機進口和出口更為接近真實流場的邊界條件,通過精準建模可以在后續(xù)數(shù)值計算中得到準確的結(jié)果。

采用ANSYS ICEM軟件對水輪機流體域分別進行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分,為更好地得到尾水管內(nèi)部流動及壓力脈動規(guī)律,對轉(zhuǎn)輪泄水錐及尾水管網(wǎng)格進行局部加密以保證計算精度。通過對4套水輪機全流道計算域網(wǎng)格進行無關(guān)性驗證,最終選擇水輪機計算域總網(wǎng)格數(shù)為1.036×107的方案進行計算。

2 研究方法

2.1 控制方程

流體運動的基本方程包括連續(xù)方程、運動方程和能量方程,水輪機的工作介質(zhì)為水,視為不可壓縮流體,不考慮熱量交換[20]。流體運動的連續(xù)方程為式(1):

(1)

運動方程為式(2):

(2)

式中V——流體速度;t——時間;ρ——流體密度;P——壓強;μ——流體動力黏性系數(shù);g——重力加速度;x——坐標;i、j——張量坐標。

2.2 湍流模型選擇

文中采用SST k-ω模型進行數(shù)值計算,SST湍流模型實現(xiàn)了從邊界層內(nèi)部的k-ω 模型到邊界層外部的高雷諾數(shù)的k-ε 模型的逐漸過渡,同時SST湍流模型在預(yù)測近壁面流動或逆壓梯度流動等方面具有顯著優(yōu)勢[21-23],其方程為式(3)、(4):

(3)

(4)

式中κ——湍動能;ω——湍流頻率;Pκ——湍動能生成項;α2——經(jīng)驗系數(shù);μ——運動黏度;F1——混合函數(shù);σω2、σω3——經(jīng)驗系數(shù);β3——經(jīng)驗系數(shù);ρ——流體密度;t——時間。

2.3 監(jiān)測點設(shè)置

為獲得混流式水輪機尾水管在不同導(dǎo)葉開度下的壓力脈動數(shù)據(jù),分別在尾水管進口中心處設(shè)置1個監(jiān)測點[24],直錐段邊壁及中心位置處設(shè)置3個監(jiān)測點,彎肘段邊壁及中心位置處設(shè)置3個監(jiān)測點,擴散段邊壁及中心位置處設(shè)置3個監(jiān)測點,圖2為尾水管監(jiān)測點布置情況。

圖2 水輪機尾水管監(jiān)測點布置

2.4 邊界條件及計算設(shè)置

水輪機蝸殼進口采用壓力進口,尾水管出口采用靜壓出口,壁面采用水力光滑、無滑移壁面。非定常流動計算將定常流動計算結(jié)果作為初始條件,以轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)3°的時間0.000 833 s為一個計算步長,轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)1周所用時間為0.1 s,當數(shù)值計算結(jié)果出現(xiàn)明顯的周期性時提取數(shù)據(jù)進行分析。

3 數(shù)值計算結(jié)果

不同導(dǎo)葉開度計算工況均采用160 m水頭,轉(zhuǎn)速為600 r/min,由表1計算結(jié)果可以看出,隨著導(dǎo)葉開度每次增加35.5 mm,水輪機的流量大幅增加,轉(zhuǎn)矩和水輪機出力的增加幅度有所降低。為進一步探究造成此現(xiàn)象的原因,對混流式水輪機尾水管內(nèi)部流動及壓力脈動進行分析。

表1 水輪機額定水頭額定轉(zhuǎn)速下不同導(dǎo)葉開度計算結(jié)果

3.1 不同導(dǎo)葉開度下尾水管內(nèi)部流動分析

a)不同導(dǎo)葉開度下尾水管中間軸面壓力。圖3可知,在導(dǎo)葉開度為71.0、106.5、142.0 mm時,尾水管進口區(qū)域存在低壓區(qū)并隨著導(dǎo)葉開度的增加逐漸增大,同時尾水管內(nèi)壓力分布的均勻性隨著導(dǎo)葉開度的增加而逐漸變差。當導(dǎo)葉開度最大時,尾水管進口負壓區(qū)呈現(xiàn)螺旋狀分布規(guī)律,因此在尾水管進口段有空化渦帶的產(chǎn)生,尾水管渦帶導(dǎo)致水輪發(fā)電機組產(chǎn)生振動,進而影響機組的安全穩(wěn)定運行。

a)35.5 mm導(dǎo)葉開度

b)71.0 mm導(dǎo)葉開度

c)106.5 mm導(dǎo)葉開度

d)142.0 mm導(dǎo)葉開度

b)不同導(dǎo)葉開度下尾水管中間軸面速度流線。由圖4可知,當導(dǎo)葉開度為35.5 mm時,尾水管內(nèi)整體流線分布較為均勻。隨著導(dǎo)葉開度的增加,尾水管直錐段逐漸出現(xiàn)明顯的交替旋渦。當導(dǎo)葉開度為71.0 mm時,尾水管直錐段和擴散段均有旋渦產(chǎn)生,尾水管內(nèi)流態(tài)較為紊亂。當導(dǎo)葉開度為106.5、142.0 mm時,尾水管直錐段中心區(qū)域出現(xiàn)較多的交替旋渦,低速渦帶會導(dǎo)致尾水管產(chǎn)生水壓力脈動,增加尾水管水力損失,進而降低水輪機的運行效率。流動水流在混流式水輪機轉(zhuǎn)輪出口具有圓周方向的速度分量,隨著導(dǎo)葉開度的增加,當水流進入尾水管后極易在直錐段形成周期性螺旋偏心渦帶,誘發(fā)渦帶的壓力脈動進而影響水輪機的穩(wěn)定性。

a)35.5 mm導(dǎo)葉開度

b)71.0 mm導(dǎo)葉開度

c)106.5 mm導(dǎo)葉開度

d)142.0 mm導(dǎo)葉開度

c)不同導(dǎo)葉開度下尾水管中間軸面速度。由圖5可知,流體流入尾水管后,由于水流有圓周方向的分速度,尾水管直錐段及彎肘段壁面附近的速度大于其中心處的速度,流體從尾水管擴散段流出后的速度整體降低。隨著導(dǎo)葉開度的增加,尾水管內(nèi)速度分布均勻性逐漸變差,內(nèi)部流動逐漸出現(xiàn)紊亂,尾水管直錐段邊壁區(qū)域高速區(qū)增加且中心處出現(xiàn)低速區(qū),同一區(qū)域高速區(qū)與低速區(qū)的存在表明此區(qū)域易出現(xiàn)旋渦,因此在尾水管直錐段容易出現(xiàn)明顯的渦帶。尾水管出口處的水流速度較小,表明水輪機流道內(nèi)能量轉(zhuǎn)化比較充分,水流的動能實現(xiàn)了較大限度的回收。

a)35.5 mm導(dǎo)葉開度

b)71.0 mm導(dǎo)葉開度

c)106.5 mm導(dǎo)葉開度

3.2 尾水管進口監(jiān)測點壓力脈動分析

由圖6可知,尾水管進口中心處壓力脈動主頻幅值隨著導(dǎo)葉開度的增加先增大后減小,在導(dǎo)葉開度71.0、106.5、142.0 mm時,壓力脈動主頻f為0.98倍轉(zhuǎn)頻fn。監(jiān)測點DT1在導(dǎo)葉開度35.5 mm時,主頻幅值最小,壓力脈動主頻f為13倍轉(zhuǎn)頻fn,13倍轉(zhuǎn)頻fn是轉(zhuǎn)輪葉片通過頻率。導(dǎo)葉開度為106.5 mm時,主頻幅值最大。結(jié)合圖6、4分析可知,隨著導(dǎo)葉開度的增加,尾水管直錐段交替出現(xiàn)的旋渦逐漸增多,導(dǎo)致尾水管壓力脈動強度增大,這與尾水管進口監(jiān)測點壓力脈動幅值隨導(dǎo)葉開度增加而逐漸變大的規(guī)律是一致的。

圖6 尾水管進口監(jiān)測點DT1壓力脈動頻域

3.3 尾水管直錐段監(jiān)測點壓力脈動分析

由圖7可知,尾水管直錐段壓力脈動的主頻主要呈現(xiàn)為低頻脈動的形式,直錐段邊壁位置壓力脈動變化規(guī)律基本一致,在導(dǎo)葉開度71.0 mm時,尾水管直錐段邊壁位置壓力脈動主頻幅值最大,壓力脈動主頻f為0.98倍轉(zhuǎn)頻fn。監(jiān)測點DT2在導(dǎo)葉開度35.5 mm時,主頻幅值最小,壓力脈動主頻f為13倍轉(zhuǎn)頻fn。監(jiān)測點DT3在導(dǎo)葉開度106.5 mm時,主頻幅值最小,壓力脈動主頻f為13倍轉(zhuǎn)頻fn,在導(dǎo)葉開度142.0 mm時,主頻幅值最大。監(jiān)測點DT4在導(dǎo)葉開度106.5 mm時,主頻幅值最小,壓力脈動主頻f為13倍轉(zhuǎn)頻fn。通過對圖7、4分析可知,當導(dǎo)葉開度為71.0 mm時,尾水管內(nèi)流場分布與其他導(dǎo)葉開度流場相比較為紊亂,導(dǎo)致尾水管壓力脈動強度增大,此時尾水管直錐段監(jiān)測點低頻壓力脈動幅值最大。

a)監(jiān)測點DT2

b)監(jiān)測點DT3

c)監(jiān)測點DT4

3.4 尾水管彎肘段監(jiān)測點壓力脈動分析

由圖8可知,隨著導(dǎo)葉開度的增加,尾水管彎肘段監(jiān)測點壓力脈動主頻幅值先增大后減小,各監(jiān)測點在導(dǎo)葉開度71.0 mm時,主頻幅值最大,壓力脈動主頻f為0.98倍轉(zhuǎn)頻fn。監(jiān)測點DT5在導(dǎo)葉開度106.5 mm和DT7在導(dǎo)葉開度142.0 mm時,主頻幅值均最小,壓力脈動主頻f均為13倍轉(zhuǎn)頻fn。監(jiān)測點DT6在導(dǎo)葉開度35.5 mm時,主頻幅值最小,壓力脈動主頻f為0.98倍轉(zhuǎn)頻fn。圖8、4分析對比可知,隨著導(dǎo)葉開度的增加,尾水管彎肘段中間區(qū)域旋渦逐漸增多,與之對應(yīng)的是彎肘段中間區(qū)域監(jiān)測點DT6低頻壓力脈動幅值逐漸增大。

c)監(jiān)測點DT7

3.5 尾水管擴散段監(jiān)測點壓力脈動分析

由圖9可知,尾水管擴散段壓力脈動主頻幅值隨著導(dǎo)葉開度的增加整體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,次主頻幅值的變化規(guī)律與主頻幅值一致。監(jiān)測點DT8在導(dǎo)葉開度142.0 mm、DT9和DT10在導(dǎo)葉開度106.5 mm時,主頻幅值均最大,壓力脈動主頻f均為0.98倍轉(zhuǎn)頻fn。監(jiān)測點DT8和DT10在導(dǎo)葉開度35.5 mm時,主頻幅值最小,壓力脈動主頻f為0.98倍轉(zhuǎn)頻fn。監(jiān)測點DT9在導(dǎo)葉開度71.0 mm時,主頻幅值最小,壓力脈動主頻f為13倍轉(zhuǎn)頻fn。圖9與圖4比較分析可知,隨著導(dǎo)葉開度的增加,尾水管擴散段流場流線分布由紊亂逐漸變得均勻,擴散段監(jiān)測點低頻壓力脈動幅值先增大后減小,與尾水管內(nèi)流場變化規(guī)律相對應(yīng)。

a)監(jiān)測點DT8

b)監(jiān)測點DT9

c)監(jiān)測點DT10

4 總結(jié)與展望

4.1 總結(jié)

運用CFD數(shù)值模擬技術(shù),基于SST k-ω湍流模型進行混流式水輪機三維全流道內(nèi)部流動數(shù)值模擬,通過對不同導(dǎo)葉開度下尾水管內(nèi)部流動及壓力脈動特性進行分析,得到以下結(jié)論。

a)隨著導(dǎo)葉開度的增加,尾水管進口區(qū)域負壓區(qū)逐漸增大,尾水管內(nèi)壓力和速度由均勻分布逐漸變紊亂。在導(dǎo)葉開度為142.0 mm時,尾水管進口區(qū)域負壓區(qū)呈現(xiàn)螺旋狀分布規(guī)律,表明在此區(qū)域形成了空化渦帶。不同導(dǎo)葉開度下,尾水管直錐段及彎肘段壁面附近的速度大于其中心處的速度,流體從尾水管擴散段流出后的速度整體降低。

b)當活動導(dǎo)葉開度處于小開度時,尾水管內(nèi)速度流線均勻分布,流動相對穩(wěn)定。隨著導(dǎo)葉開度的增加,尾水管直錐段逐漸出現(xiàn)明顯的交替旋渦。當導(dǎo)葉開度最大時,尾水管直錐段中心區(qū)域出現(xiàn)較多的交替旋渦,低速渦帶會導(dǎo)致尾水管產(chǎn)生水壓力脈動,增加尾水管水力損失,進而降低水輪機的運行效率,后期電站應(yīng)避免水輪發(fā)電機組長時間運行在壓力脈動幅值較大的導(dǎo)葉開度區(qū)域。

c)不同導(dǎo)葉開度下尾水管進口中心、直錐段、彎肘段、擴散段壓力脈動分析結(jié)果表明:尾水管壓力脈動主要由尾水管渦帶引起,呈現(xiàn)出典型的低頻高幅特征。不同導(dǎo)葉開度下,各監(jiān)測點壓力脈動主頻f最大幅值主要出現(xiàn)在0.98倍轉(zhuǎn)頻fn位置處,部分監(jiān)測點壓力脈動主頻f最大幅值出現(xiàn)在13倍轉(zhuǎn)頻fn(轉(zhuǎn)輪葉片通過頻率)位置處,各監(jiān)測點壓力脈動主頻f最小幅值主要出現(xiàn)在13倍轉(zhuǎn)頻fn位置處,部分監(jiān)測點壓力脈動主頻f最小幅值主要出現(xiàn)在0.98倍轉(zhuǎn)頻fn位置處。

4.2 展望

本文采用CFD技術(shù)進行混流式水輪機三維全流道數(shù)值模擬,分析了額定水頭不同導(dǎo)葉開度下的尾水管內(nèi)部流動及壓力脈動特性,后續(xù)可以針對水輪機最低水頭、最高水頭或設(shè)計水頭等不同水輪機運行工況開展內(nèi)部流動及壓力脈動研究。CFD數(shù)值模擬技術(shù)雖然可以便捷地開展研究并拓寬研究范圍,避免昂貴的試驗成本,但仍需要進行實驗驗證,可以采用電站實際運行數(shù)據(jù)與仿真模擬結(jié)果進行相互驗證的方式進行水輪機相關(guān)問題研究。