襟翼長度對混流式水輪機空化性能的影響

李雅麗,劉云琦

(1.商洛市商州區(qū)水利工作站,陜西 商洛 726000;2.河北省應(yīng)急物資供應(yīng)中心,河北 石家莊 050000)

可再生能源中,水電是目前唯一能實現(xiàn)商業(yè)化大規(guī)模應(yīng)用的能源。尤其是隨著煤炭等不可再生資源大規(guī)模開采利用導(dǎo)致的能源危機,水電作為具有更強優(yōu)勢的清潔可再生能源,對于推動我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會可持續(xù)發(fā)展具有著重要作用[1-3]。在我國大部分水電站中,混流式水輪機以其結(jié)構(gòu)緊湊,可以適應(yīng)相對較寬的水域,制作工藝成熟等優(yōu)點,占據(jù)著我國水電站機組的主導(dǎo)位置[4],但是混流式水輪機仍存在著自身無法克服的弱點即空化,空化是水力機械運行過程中存在的常見問題,水輪機在長期處于空化運行狀態(tài)或在空化和磨蝕的協(xié)同作用下,會導(dǎo)致水輪機組運行效率顯著降低,同時還會縮短機組的使用壽命,對水輪機的穩(wěn)定運行產(chǎn)生不利影響,甚至引發(fā)危害生命財產(chǎn)的安全事故[5-8]。

目前,國內(nèi)外學(xué)者對水輪機空化性能進(jìn)行了相關(guān)研究,有學(xué)者利用仿真軟件對水輪機空化區(qū)域進(jìn)行了預(yù)測,楊宛利[9]用CFX軟件對水泵水輪機轉(zhuǎn)輪在發(fā)電、抽水工況進(jìn)行數(shù)值模擬,經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)水輪機工況下,空化現(xiàn)象最容易在轉(zhuǎn)輪葉片吸力面出口邊靠近下環(huán)的位置發(fā)生;相較于單相流體模型,黃劍峰等[10]采用歐拉-歐拉方法中的均勻多相流假設(shè)混合兩相流體無滑移模型,并利用Fluent軟件對混流式水輪機的全流道進(jìn)行了數(shù)值模擬,研究表明,與單相流體模型相比,多相流模型能夠更好地模擬水輪機內(nèi)空化現(xiàn)象的多相流動情況。

水輪機實際運行的水域中常常有泥沙顆粒的存在,泥沙顆粒會加劇生成水中的空化核,從而加重空化的發(fā)生,Dinesh等[11]對水輪機運行過程中含沙水進(jìn)行研究,試驗表明水輪機運行過程中泥沙水對水輪機的工作運行有磨蝕作用;杜同[12]通過實驗對比單獨的泥沙磨損、空化及泥沙磨損與空化聯(lián)合作用的效果,發(fā)現(xiàn)單獨的泥沙磨損只能讓過流部件表面變的更加光滑,而空化磨損的聯(lián)合作用則會產(chǎn)生魚鱗坑,加速磨蝕;劉正勇等[13]對黃河流域混流式水輪機葉片的磨蝕情況進(jìn)行調(diào)研,發(fā)現(xiàn)磨蝕通常發(fā)生在葉片正、背面,以葉片進(jìn)口邊背面靠下環(huán)轉(zhuǎn)彎處及正面出水邊區(qū)靠近下環(huán)處最為嚴(yán)重。嚴(yán)欣等[14]通過研究襟翼高度對混流式水輪機轉(zhuǎn)輪空化特性的影響,結(jié)果表明小流量 0.6Qd和0.8Qd工況下,襟翼高度為30 mm時空化改善最明顯。

在仿生學(xué)的啟示下,研究人員受到鳥類飛行和魚類游動時通過拍打翅膀或尾翼控制渦流以改善前行性能的啟發(fā),提出并研究了一種帶有擺動小翼(又稱襟翼)的開槽葉片設(shè)計方法,并對其進(jìn)行了研究,劉洋等[15]通過對槳葉加裝襟翼,再對其動態(tài)失速模型進(jìn)行數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)襟翼的存在可以有效改善槳葉的動態(tài)失速特性;Yeonjoong等[16]通過對擬建壩(即帶襟翼的閉式壩)的水力特性的研究,試驗數(shù)據(jù)表明,與無襟翼的閉式壩相比,有襟翼壩具有捕捉大孤石泥石流的優(yōu)勢,同時水壩由于有襟翼結(jié)構(gòu)的存在可通過水流循環(huán)控制總壓。

流體機械領(lǐng)域內(nèi),加裝襟翼的實質(zhì)在于通過改變翼型的彎曲度來改變流場,從而達(dá)到控制流場的目的;在工程應(yīng)用領(lǐng)域,襟翼結(jié)構(gòu)已經(jīng)在航空航天領(lǐng)域和水翼船方面得到廣泛的應(yīng)用,馬祺敏等[17]研究發(fā)現(xiàn)在風(fēng)力機S809翼型的吸力面添加襟翼可以以抑制繞流流動分離,風(fēng)機在不同攻角等條件下,升阻比和升力最大可分別提升53%和41.8%,周暢[18]以螺旋軸流式氣液混輸泵為研究對象,借鑒機翼襟翼增升裝置設(shè)計方法,對葉輪葉片翼型進(jìn)行合改型設(shè)計,結(jié)果表明改型后的泵降低了葉輪入口處流體沖擊及葉輪出口附近流道內(nèi)氣堵現(xiàn)象造成的能量損失,提升氣液混輸泵的混輸效率。襟翼在工程應(yīng)用領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用,因此通過添加襟翼改造水輪機葉片來改善空化性能是有一定研究價值的。

目前現(xiàn)有的有關(guān)襟翼結(jié)構(gòu)的文獻(xiàn)研究主要集中在剛性整體翼型的水翼結(jié)構(gòu)上,翼型采用的都是標(biāo)準(zhǔn)翼型,研究方向集中于運動形式、流場條件、水翼的陣列結(jié)構(gòu)等等,對于襟翼尺寸改型的研究、襟翼結(jié)構(gòu)對水輪機的空化性能的研究還不夠深入。

因此,本文增加轉(zhuǎn)輪葉片的襟翼結(jié)構(gòu),在空化基礎(chǔ)上考慮含沙水的磨蝕作用,采用多相流模型,運用CFX軟件對HLX180-LJ-145混流式水輪機的全流道進(jìn)行三維定常空化湍流數(shù)值模擬,旨在深入探究流道內(nèi)部的空化部位及空化程度,進(jìn)行水輪機運行工作介質(zhì)與水輪機轉(zhuǎn)輪空化特性關(guān)聯(lián)性的分析,研究混流式水輪機增加襟翼對轉(zhuǎn)輪空化性能的影響。

1 計算模型與網(wǎng)格劃分

1.1 計算模型及設(shè)計參數(shù)

以某水電站型號為HLX180-LJ-145的混流式水輪機為研究對象,使用UG軟件對水輪機進(jìn)行全流道建模,模型三維實體圖如圖1,表1選用的混流式水輪機真機運行時的基本參數(shù)。水輪機模型機轉(zhuǎn)輪直徑為360 mm,工作水頭為30 m。

表1 水輪機基本參數(shù)

圖1 水輪機三維實體圖

1.2 數(shù)值計算方法

使用ANSYS CFX軟件對水輪機進(jìn)行氣液兩相和固-液-氣三相耦合計算。選用水輪機真機運行所處的河流的年平均泥沙濃度10.45%和泥沙平均粒徑為0.028 mm。在數(shù)值模擬計算時,設(shè)置泥沙顆粒體積濃度為10%,平均粒徑為0.03 mm。

多相流模型采用Euler-Lagrange模型,模型把流體相作為連續(xù)相,運用歐拉法創(chuàng)立流體相的連續(xù)性、動量以及能量守恒方程,泥沙顆粒作為離散相,建立離散相的拉格朗日方程,可以更方便的模擬具有復(fù)雜運動的顆粒相。

本文主要研究水輪機多相流體介質(zhì)的交互作用。為了更精確且符合實際地描述水機多相流體介質(zhì)的流動狀態(tài),選用SSTk-ω湍流模型進(jìn)行數(shù)值模擬。

耗散率ω和湍動能k方程為:

(1)

(2)

(3)

式中:ρ為流體密度;k為湍流動能;t為時間;u為流體速度;x為空間坐標(biāo);μ為動力黏度;σ*為模型相關(guān)的常量,0.5;μT為湍流黏度系數(shù);σ為模型相關(guān)的常數(shù),0.5;β*為模型相關(guān)的常數(shù),0.09;ω為耗散率;Pk為湍流生成項;Cω1為模型相關(guān)的常數(shù),5/9;Cω2為模型相關(guān)的常量,0.075;i,j為坐標(biāo)方向。

在選擇空化模型時,我們采用了Zwart空化模型。該模型基于輸運方程而提出,可以與所有湍流模型兼容使用。模型的關(guān)鍵參數(shù)包括空泡直徑、成核點體積分?jǐn)?shù)、蒸發(fā)系數(shù)及凝結(jié)系數(shù)。該模型已被商業(yè)軟件CFX以及FLUENT廣泛應(yīng)用,應(yīng)用范圍較廣[19]。

(4)

1.3 數(shù)值計算邊界條件

數(shù)值計算時邊界條件設(shè)置為:

(1) 進(jìn)口條件:蝸殼進(jìn)口采用質(zhì)量流量。

(2) 固體壁面:采用無滑移光滑絕熱壁面。

(3) 轉(zhuǎn)輪動靜交界面:轉(zhuǎn)輪域的動靜交界面采用Frozen Rotor。

(4) 出口條件:通過尾水管降壓來進(jìn)行,尾水管出口采用靜壓力。

空化計算時由1 atm開始每次降低0.1 atm來進(jìn)行研究。氣液兩相流計算時,氣相選擇為Water Vapour at 25 ℃,空化壓力為3 540 Pa,時間步長為0.01 s,平均殘差小于10-5。

1.4 網(wǎng)格劃分及無關(guān)性驗證

采用ICEM CFD軟件對水輪機進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分,同時對重要壁面和邊界層進(jìn)行加密處理。加襟翼轉(zhuǎn)輪網(wǎng)格圖和局部圖如圖2所示。

圖2 加襟翼轉(zhuǎn)輪計算域網(wǎng)格劃分

為了提升計算效率,在Qd工況點選取了五種網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行數(shù)值計算。圖3展示了效率和輸出功率隨著網(wǎng)格數(shù)的增加而逐漸增加的趨勢。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)達(dá)到6.5×106后,效率保持穩(wěn)定不變,表明已經(jīng)獲得了網(wǎng)格無關(guān)解。表2列出了達(dá)到網(wǎng)格無關(guān)解后各過流部件的網(wǎng)格數(shù)和節(jié)點數(shù)。圖4是轉(zhuǎn)輪葉片吸力面的y+圖,最大y+值為9.758,滿足數(shù)值計算對網(wǎng)格的需求。

表2 過流部件網(wǎng)格數(shù)

圖3 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

圖4 葉片吸力面y+

1.5 數(shù)值計算工況

水輪機單位轉(zhuǎn)速n11和單位流量Q11為:

(5)

(6)

式中:n11為單位轉(zhuǎn)速,r/min;Q11為單位流量,m3/s;n為轉(zhuǎn)速,r/min;Q為流量,m3/s;D1為轉(zhuǎn)輪直徑,m;H為工作水頭,m。

選擇最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速69 r/min對0.8Qd工況和1.0Qd工況點在清水和含沙水水流介質(zhì)下水輪機的空化性能進(jìn)行分析研究。兩種工況下活動導(dǎo)葉開度及單位流量如表3所示。

表3 各工況下活動導(dǎo)葉開度和單位流量

1.6 試驗驗證

為了檢驗數(shù)值計算的準(zhǔn)確性,選取了六個不同的流量工況點,進(jìn)行了混流式水輪機真機效率試驗。電站真機的運行水頭范圍為97 m～112 m,效率試驗時電站實測水頭為101 m。試驗工況選取設(shè)計工況單位轉(zhuǎn)速為69 r/min,具體方案如表4所示。圖5為試驗與數(shù)值計算值對比結(jié)果,從整體來看,水輪機真機的效率試驗值和數(shù)值模擬值的變化規(guī)律基本一致,在數(shù)值計算過程中,并未將流道內(nèi)所有密封間隙所導(dǎo)致的泄漏損失納入考慮范圍[20]。數(shù)值模擬值結(jié)果略高于試驗值,單位流量0.452 m3/s的工況出現(xiàn)最大誤差,為2.16%,在誤差允許的范圍內(nèi),因此認(rèn)為本文進(jìn)行的數(shù)值計算能夠反映水輪機實際運行過程中的特征。

表4 試驗對比方案

圖5 外特性模擬曲線與試驗曲線

2 襟翼改型方案

在原始轉(zhuǎn)輪的基礎(chǔ)上,通過在轉(zhuǎn)輪兩葉片中間的位置增設(shè)襟翼結(jié)構(gòu),并將其固定于轉(zhuǎn)輪進(jìn)口靠近下環(huán)處,且與轉(zhuǎn)輪葉片保持平行放置[20],襟翼頭部與轉(zhuǎn)輪葉片頭部相同,曲率與葉片相同,圖6(a)為襟翼結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)輪中的位置,圖6(b)是襟翼長度示意圖。表5是設(shè)計的4個襟翼方案,在清水和含沙水介質(zhì)中,研究襟翼高度為10 mm的方案下,四種不同長度的襟翼(0 mm、60 mm、80 mm、100 mm)對混流式水輪機轉(zhuǎn)輪在0.8Qd工況和1.0Qd工況點時空化性能的影響。方案1即為無襟翼原型機組。

表5 各方案襟翼個數(shù)和襟翼長度

圖6 襟翼結(jié)構(gòu)及襟翼長度

3 結(jié)果討論與分析

3.1 襟翼對水輪機能量特性的影響

對比在尾水管出口壓力為1 atm條件下,4種襟翼方案的水輪機的效率。結(jié)果如表6,加入襟翼后水輪機的效率降低,0.8Qd小流量工況點清水、含沙水介質(zhì)效率值分別最大降低1.57%、2.05%;1.0Qd設(shè)計流量工況點清水、含沙水介質(zhì)效率分別最大降低0.89%、1.26%。

表6 不同方案的效率值

效率和空化分別與水輪機經(jīng)濟(jì)效益和使用壽命相關(guān),本文研究襟翼結(jié)構(gòu)對水輪機空化性能的顯著提升作用。水輪機的空化性能是其綜合性能的重要評估標(biāo)準(zhǔn),空化性能優(yōu)化后可以延長水輪機的使用壽命,從而有效降低檢修和更換成本,提高運行效率。因此,加入襟翼后水輪機效率稍降低,空化性能顯著提高,在實際工程應(yīng)用中,綜合考慮襟翼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用對水輪機仍具有重大意義。

3.2 襟翼對水輪機空化性能的影響

空化數(shù)值模擬采用對水輪機尾水管出口進(jìn)行降壓的方法,每次降壓0.1 atm,觀察到在出口壓力由1 atm降至0.4 atm的過程中,水輪機的輸出功率和效率均保持穩(wěn)定,同時轉(zhuǎn)輪葉片表面未出現(xiàn)空化現(xiàn)象。當(dāng)出口壓力降0.3 atm時,設(shè)計流量工況點出現(xiàn)明顯的變化,葉片吸力面靠近轉(zhuǎn)輪出口邊存在大面積空化,小流量工況無明顯變化;當(dāng)壓力降到0.2 atm時,小流量工況點輸出功率和效率發(fā)生明顯變化。

因此,本文對尾水管出口壓力為0.2 atm的0.8Qd小流量工況點和壓力0.3 atm的1.0Qd設(shè)計流量工況點在清水和含沙水介質(zhì)下轉(zhuǎn)輪的空化性能進(jìn)行研究。

表7展示了四種襟翼長度方案下轉(zhuǎn)輪葉片吸力面的最大空泡體積分?jǐn)?shù)量化值,增加襟翼后,轉(zhuǎn)輪葉片出口邊的最大空泡體積分?jǐn)?shù)均在減小,在0.8Qd小流量工況點,清水介質(zhì)三種帶襟翼方案空泡體積分?jǐn)?shù)分別相對于無襟翼方案減小10.1%、12.5%、14.0%,含沙水介質(zhì)空泡體積分?jǐn)?shù)分別相對減小3.6%、5.0%、4.3%;在1.0Qd設(shè)計流量工況點,清水介質(zhì)空泡體積分?jǐn)?shù)分別相對減小6.2%、6.7%、7.5%,含沙水介質(zhì)空泡體積分?jǐn)?shù)分別相對減小4.4%、4.0%、4.1%。

表7 不同方案的最大空泡體積分?jǐn)?shù)量化表

圖7、圖8分別為清水和含沙水介質(zhì)不同流量工況、不同方案下轉(zhuǎn)輪吸力面的空泡分布圖,轉(zhuǎn)輪葉片吸力面靠近轉(zhuǎn)輪出口下環(huán)處會產(chǎn)生大面積空化,同一流量工況點,含沙水的空泡面積要大于清水介質(zhì),泥沙顆粒對水輪機的磨蝕作用使得破壞更加嚴(yán)重;同一水流介質(zhì),小流量工況點的空泡面積小于設(shè)計流量工況點,設(shè)計流量工況點水流流速較高,高流速水流對轉(zhuǎn)輪葉片的沖擊作用較大,空化較嚴(yán)重;增加襟翼后,總受壓面積增大,增加了過流面積,轉(zhuǎn)輪水流得到分流,流經(jīng)轉(zhuǎn)輪葉片的水流流量減少,轉(zhuǎn)輪進(jìn)口水流速度更為均勻,明顯減小空化發(fā)生的強度。

圖7 0.8Qd轉(zhuǎn)輪葉片吸力面空泡體積分?jǐn)?shù)

圖9、圖10是轉(zhuǎn)輪葉片吸力面水流流速圖,同一工況點,由于泥沙顆粒對水流的阻礙效應(yīng),含有泥沙的水流速度小于清水,然而,在兩種水流介質(zhì)葉片表面,水流流線并沒有顯著的差異;在原始轉(zhuǎn)輪進(jìn)口和轉(zhuǎn)輪進(jìn)口下環(huán)處,水流流線呈現(xiàn)出相對紊亂的狀態(tài),顯示出水流回流和交匯的現(xiàn)象存在。尤其在小流量工況點,這種現(xiàn)象相較于設(shè)計流量工況點更為嚴(yán)重。增加襟翼后,襟翼對轉(zhuǎn)輪進(jìn)口的來流進(jìn)行充分分流,促使水流流速增加,葉片表面流動分離延遲,流線紊亂現(xiàn)象減弱。整個流場的流線分布均勻且流暢,這表明加襟翼可以使流場流線更加流暢,從而減小由流場不穩(wěn)定性引起的脈動,改善水輪機轉(zhuǎn)輪區(qū)域運行的穩(wěn)定性。

圖9 0.8Qd轉(zhuǎn)輪葉片吸力面水流流線

圖10 1.0Qd轉(zhuǎn)輪葉片吸力面水流流線

使用葉柵圖進(jìn)行轉(zhuǎn)輪內(nèi)流態(tài)分析時,需要同時顯示出葉片及襟翼,因此采用轉(zhuǎn)輪內(nèi)Turbo0.95(轉(zhuǎn)輪上冠為0,下環(huán)為1)高度截面進(jìn)行分析[20-21]。

圖11和圖12分別展示了在四種襟翼長度方案下,水流速度矢量在轉(zhuǎn)輪0.95截面處的分布情況。通過對比分析,可以發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律:兩個流量工況點在靠近轉(zhuǎn)輪出口處均出現(xiàn)了明顯的水流高流速區(qū)域,對轉(zhuǎn)輪出口產(chǎn)生的沖擊相對更大,葉片進(jìn)口處容易出現(xiàn)脫流現(xiàn)象;在增設(shè)襟翼后,加襟翼轉(zhuǎn)輪的過流通道葉柵稠密度有所增加,導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪進(jìn)口的來流得到分流,脫流現(xiàn)象有所減弱。此外,轉(zhuǎn)輪出口邊的水流速度減小,流態(tài)得到改善,流道內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換更為充分,動能得到了更大程度地利用。這些改變使得水流對轉(zhuǎn)輪的沖擊作用有所減弱,從而改善了空化性能。

圖11 0.8Qd轉(zhuǎn)輪0.95截面水流速度矢量

圖12 1.0Qd轉(zhuǎn)輪0.95截面水流速度矢量

圖13為含沙水介質(zhì)中不同流量工況的轉(zhuǎn)輪0.95截面泥沙流速矢量圖,設(shè)計流量工況點泥沙流速較高、轉(zhuǎn)輪出口邊高流速區(qū)域較多。加裝襟翼后,襟翼對轉(zhuǎn)輪進(jìn)口的流動進(jìn)行了分流,減緩了轉(zhuǎn)輪域泥沙流速,從而減輕了泥沙對轉(zhuǎn)輪葉片的沖擊。此外,泥沙顆粒對該區(qū)域的磨蝕作用也相應(yīng)減弱,從而改善了空化性能。

圖13 轉(zhuǎn)輪0.95截面泥沙速度矢量

4 結(jié) 論

通過對四種襟翼長度的水輪機在清水和含沙水介質(zhì)下的0.8Qd工況和1.0Qd設(shè)計流量工況點進(jìn)行數(shù)值計算,分析能量特性、空泡體積分?jǐn)?shù)、吸力面水流流線等相關(guān)參數(shù),得出以下研究結(jié)論:

(1) 水輪機轉(zhuǎn)輪域主要在轉(zhuǎn)輪葉片吸力面靠近出口處發(fā)生空化現(xiàn)象。當(dāng)水流中存在泥沙顆粒時,這些顆粒還會對轉(zhuǎn)輪葉片產(chǎn)生磨損作用。在空化和磨損的聯(lián)合作用下,對轉(zhuǎn)輪葉片的破壞將會更加嚴(yán)重。增加襟翼后,泥沙顆粒對該區(qū)域的磨蝕作用也相應(yīng)減弱,從而改善了空化性能。

(2) 增加襟翼后,轉(zhuǎn)輪內(nèi)部的受壓區(qū)域有所增加,葉片吸力面靠近出口附近的空泡體積分?jǐn)?shù)降低,表明降低了空化強度。襟翼對轉(zhuǎn)輪進(jìn)口的水流和泥流起到了有效的分流作用,使得流道內(nèi)的水流和泥流均勻分布。襟翼改善了葉片吸力面表面水流流線的流暢性,紊亂現(xiàn)象也有所減弱,水流流態(tài)得到了優(yōu)化。襟翼的增加還使得轉(zhuǎn)輪0.95轉(zhuǎn)輪Turbo面葉柵的稠密度增加,有助于減少轉(zhuǎn)輪進(jìn)口的脫流現(xiàn)象;轉(zhuǎn)輪出口邊的高流速區(qū)域面積顯著減小;泥沙流速降低,從而減輕了對轉(zhuǎn)輪葉片的沖擊磨損作用,對于改善空化性能起到了積極的影響。