不同工况下混流式水轮机叶栅流场的数值模拟

2018-05-21谢恒龙刘琳琳

东北电力大学学报 2018年2期

张玲，谢恒龙，王冲，刘琳琳

(1．东北电力大学能源与动力工程学院，吉林吉林 132012;2．重庆长安汽车股份有限公司动力研究院，重庆401120;3．河北骏兴节能技术服务有限公司，河北石家庄050000)

随着人们对环保意识的增强，火力发电逐渐受到制约，技术的不成熟也阻碍了风力发电、太阳能发电及核电发展的脚步．相比之下，技术成熟的水力发电倍受人们青睐，而且水又是无污染的可再生能源［1～3］．水利发电的关键部件就是水轮机．

影响水轮机机组性能的三项指标为效率、稳定性和空化性能，效率是测量水能利用程度的一项指标，稳定性关系到水轮机组的安全运行，空化性能关系到水轮机组的运行寿命［4］．目前，水轮机的效率最高可达95%，进一步提高水轮机组的效率受到限制，稳定性和空化问题一直是水利机械领域的难题之一［5］．水轮机是水电站的核心部件，水轮机运行的好坏直接影响机组的效率，随着水轮机组越来越向大型化方向发展，对水轮机的抗空化性能和稳定性提出了更高的要求．水轮机内部水流流动十分复杂，不仅有转轮与导叶、尾水管的相互干涉作用，还伴有二次流、间隙流、尾迹及流道中的叶道涡［6］．因此，充分掌握水轮机过流部件流体的流动特性和压力分布，对防止机组运行时的振动和空蚀有重要意义．

在实际工作中，通过水轮机的流体流量随着导叶开度变化而改变．水轮机通常是在非设计工况下运行，当水轮机偏离最优工况时，上冠进口处流体脱流，在流道内发展成叶道涡［7］．当叶道涡发展比较严重时，会形成比较粗大的涡带，涡带尾部相当不稳定，严重时会影响机组的安全运行［8］．如1992年塔贝拉电站水轮机事故，由于水轮机长时间偏离最优工况在高水头下运行，流道内形成叶道涡，引起强烈振动破坏设备，以至不得不在转轮叶片进口和尾水管补气才能安全运行［9～10］．1993年岩滩水电站水轮机组在高负荷区工况下运行导致厂房剧烈振动．分析认为机组在超过额定水头下运行引起的振动属于共振问题，引发共振的是水力因素激发的共振现象［11］．云南大朝山电站由于导叶卡门涡导致叶片在短时间内出现裂纹［12］．

水轮机的空化和空蚀按空化和空蚀发生的部位分为四种基本类型，其中翼型空化是混流式水轮机空化的主要类型［13］．影响翼型的空化有很多因素，包括叶片的参数，组成转轮叶片的数量以及水轮机的运行工况等等［14］．二滩水电站在1998年投入运行后，叶片近水边吸力面靠近下环位置、上冠过流面靠近出口处逐渐发现有不同程度的空蚀［15］．杨凌水电站经过5 000小时运行后，检修发现转轮空蚀严重，出现了大面积的空蚀麻面，叶片吸力面空蚀深度达50 mm．研究发现，近几年来随着水质的破坏，含沙量和推移质都较大，对转轮造成了不同程度的损坏［16］．

在实际运行中，水轮机通常在变工况下运行，流体因为工况改变而引起瞬态振动以及叶片表面空蚀现象较为严重．但对水轮机的调试以及测试大多在稳定工况下运行，本文假定流体处于稳态流动，主要研究叶道涡以及二次流对叶片空蚀和振动问题的影响．根据某电站的原型水轮机几何参数进行叶栅流道建模．基于三维时均N－S方程对水轮机内部流动进行数值计算．首先基于最优工况(导叶开度60%)采用RNG k－ε模型在不同速度下对水轮机进行定常计算;然后选取水流速度v=8 m/s在不同导叶开度工况下进行模拟计算，并对结果进行分析．

表1 原型水轮机基本参数

1 数值模拟方法

1.1 几何模型和网格划分

本文采用HL100－WJ－75混流式水轮机叶片数据，基于木模图采用UG NX8．0建模［17］．原型水轮机的基本参数，如表1所示．因整个转轮是轴对称布置，所以本文在建立整个环形叶轮模型的基础上截取包含两个叶片在内的区域，作为一个流动计算通道，在叶片进口和出口处各延长一段距离，作为水流的进口和出口，如图1所示．

整个模型采用非结构化网格，因叶片为本文重点研究内容，对叶片网格进行加密，网格总数约为150多万．网格示意图，如图2所示．

图1 水轮机转轮及计算模型

图2 转轮流道及叶片局部加密网格示意图

1.2 数值方法及边界条件

考虑到流动中旋转和旋流流动等因素，本文采用RNG k－ε模型．该模型能较好地模拟流动的分离与漩涡，对于处理高应变率以及流线弯曲程度较大的流动比较有效［18］．对控制方程采用有限体积法进行离散，为了获得更高的精度，避免假扩散带来的影响，离散格式采用二阶迎风格式，利用SIMPLE算法进行求解．

进口边界条件:由于容易测量水轮机进口流量，所以采用速度进口边界条件．湍动能k=3/2(vI)2，其中v为湍流平均速度，I为湍流强度(一般经验值取6%)．所以进口湍动能进口耗散率，其中cμ为经验值(一般取0．09)，为进口处普朗特混lin合常数．

出口边界条件:由于水轮机出口压力、速度未知，所以采用自由出流边界条件．

壁面边界条件:在壁面上采用无滑移边界条件，近壁区域采用标准壁面函数法．

1.3 水轮机空化系数

空化系数σ表示了水轮机工作轮中的相对动力真空值，σ为一个无因次量，该值与水轮机工作轮翼型的几何形状、水流绕翼型的流态即水轮机的工况有关［19］．设最低压力点为K点，2点为叶片出口边上的点，如图3所示．即

图3 水轮机流道翼型空化条件分析示意图

式中:ωK为K点的相对速度;ω2为2点的相对速度;ν2为2点的绝对速度;ηω为尾水管的恢复系数;H为工作水头．

2 计算结果及分析

2.1 不同流速对叶片空化性能的影响

根据原型水轮机的设计水头，选取了三种具有代表性的流速(v=5 m/s、v=8 m/s、v=10 m/s)，在导叶开度为60%的工况下进行计算．水轮机转轮叶片压力侧在不同主流速度下的绝对压力分布云图，如图4所示．压力分布从叶片进口到出口沿径向均匀减小，过度平稳，没有出现较大的突变．当流速为5 m/s时，压力梯度变化均匀，有利于能量的转换，提高水轮机效率，且叶片出口处不易出现局部低压，翼型空化得到抑制．叶片进口大部分区域处在高压区，随着流速的增加，高压区覆盖面逐渐减小．当流速达到10 m/s时，在叶片出水边靠近下环壁区域出现低压区，出现空化的几率增加．

图4 转轮叶片压力侧在不同速度下的绝对压力分布云图

图5 转轮叶片吸力侧在不同速度下的绝对压力分布云图

转轮叶片压力侧在主流不同速度下的绝对压力分布云图，如图5所示．与叶片压力侧相比，在相同速度工况下，叶片吸力侧的平均压力较小，高压区的覆盖率明显减少，说明翼型空化主要发生在水轮机叶片的吸力侧．流速增加是压力降低的主要原因，水轮机主流v=10 m/s工况下吸力面静压分布等值线图，如图6所示．在60%开度时，叶片吸力侧靠近下环出口区域最低静压为－4 500 Pa，此时发生空化的概率比较大．

2.2 不同进口流量对叶轮稳定性的影响

主流速度不变在导叶开度为90%的情况下叶轮湍动能分布云图，如图7所示．根据转轮叶片吸力侧的湍动能分布来看，叶片进口前缘和靠近下环边缘处湍动能较大，说明此处湍流扰动强烈，最主要的原因是受叶道涡的影响．稳定的叶道涡不会对叶片产生负面影响，随着导叶开度的增大，进水流量增加，叶道涡变得不稳定，引起转轮的振动，对叶片乃至整个转轮都有极大的危害．由于不稳定叶道涡及二次流的作用，部分区域绝对压力急剧降低，使得产生空化的几率增加．如图7(a)所示，在实际生产中应在避开引起叶道涡不稳定的工况下运行．

叶片压力面的湍动能分布云图，如图7(b)所示．叶片进水边靠近下环部分和叶片尾缘大部分区域湍流扰动比较强烈．这是因为在导叶大开度工况下，水流以正冲角进入流道，在叶片压力侧脱离壁面，受到叶道涡的扰动在壁面产生二次回流，水力损失增大．

上冠和下环的湍动能分布云图，如图7(c)、图7(d)所示．在上冠叶片吸力侧后缘，以及下环叶片间的流道湍动能较大，湍流扰动比较强烈．随着上冠叶片尾缘处水流的脱落，在叶轮轴向产生二次涡．由于二次涡的作用，不仅水流流动不稳定，还会在下环处产生低压区．因为空气具有一定的弹性吸振能力，在涡带区域补入适量的空气，不仅可以降低漩涡的扰动强度，还可以提高该区域的压力，减小空化发生的可能性．

图6 主流v=10m/s工况下叶片吸力侧静压分布等值线图

图7 主流速度v=8m/s工况下叶轮湍动能分布云图

水轮机保持额定速度(v=8 m/s)不变的情况下，导叶开度由小到大依次为30%、60%、90%作为计算工况的三维流线分布图，如图8所示．图8(b)给出了导叶开度为60%的三维流线图，可以看出，在60%导叶开度工况下，水流由进口到出口没有产生明显的叶道涡和二次回流，这是因为水轮机在最优工况下运行，主流进口水流角等于转轮叶片进口安装角，水流与叶片之间没有撞击和脱离，流动平稳，水力损失小．

在90%导叶开度下的三维流线图，如图8(a)所示．可以看出，水头高于最优工况时，来流水流为正冲角，转轮叶片出水边靠近上冠部分出现水流脱落，涡束沿着叶片出水边由下环流道流出．在转轮叶片进口处，水流脱离叶片压力面在流道间形成叶道涡．当叶道涡为稳态时，压力脉动较小，对机组不会产生较大影响．随着水流流量的增加，叶道涡会越来越不稳定，压力脉动加剧，不仅叶道涡本身的压力脉动会给机组部件造成损害，伴随着的振动严重时会使转轮叶片产生裂纹．

图8 主流速度v=8m/s工况下三维流道流线分布示意图

在30%导叶开度下的三维流线图，如图8(c)所示．在导叶小开度工况下，水流以负冲角进入流道，水流撞击叶片压力侧，在叶道间形成回流，流体通过叶片出水边，在流道下游靠近尾水管处出现紊乱，对于中高比速水轮机，水利损失较大，严重情况下，会引起机组振动，损害机组设备．

3 结论

本文通过数值研究的方法分别对具有三种流速和三种导叶开度的混流式水轮机叶栅流道进行了数值模拟．通过叶片吸力侧和压力侧的压力云图，分析了不同流速对叶片空蚀的影响，以及根据在高流速大开度导叶工况下的湍动能云图和保持额定流速在不同导叶开度下的三维流线图，具体分析了叶道涡及二次流对水轮机转轮稳定性的影响，主要结论如下:

(1)水轮机在额定导叶开度低流速工况下时，叶片压力梯度变化均匀，没有出现较大的突变，有利于能量的转换;且叶片大部分被高压区覆盖，不易出现空蚀问题．随着流速的增加，叶片吸力侧出水边靠近下环壁区域出现低压值，空化的可能性增大．

(2)在大开度导叶工况下，水流以正冲角进入流道，水流脱离壁面，叶道涡变得不稳定，叶片吸力侧靠近下环边缘处以及压力侧后缘部分湍流扰动比较强烈，水力损失增大．水流在上冠尾缘区域脱离壁面，在转轮轴向形成二次涡，在叶轮下环区域出现较大湍动能，扰动剧烈．这不仅会使机组产生振动，还会在局部区域产生低压区，增加空化发生的可能性．

(3)保持额定流速(v=8m/s)不变，水流在60%导叶开度工况下，水流和叶片之间没有撞击和脱离，流道内没有出现明显的叶道涡和二次流，水流流动平稳．水头高于最优工况时，来流水流在转轮叶片出水边靠近上冠部分出现水流脱落，涡束沿着叶片出水边由下环流道流出．水头低于最优工况时，水流撞击叶片压力侧，在流道间形成二次回流．非额定工况下，受叶道涡和二次流的影响，引起机组振动，损害机组设备．

参考文献

［1］刘波，贺志佳，金昊风．风力发电现状与发展趋势［J］．东北电力大学学报，2016，36(2):7－13．

［2］李翠萍，曹璞佳，李军徽，等．大规模分布式光伏并网无功电压控制方法综述［J］．东北电力大学学报，2017，37(2):82－88．

［3］刘晓薇．YBS水电站水轮机选型设计［J］．东北电力大学学报，2012，32(3):105－110．

［4］刘胜柱．水轮机内部流动分析与性能优化研究［D］．西安:西安理工大学，2005．

［5］马国华，张思青．带副叶片混流式水轮机转轮内部空化流场数值模拟［D］．昆明:昆明理工大学，2014．

［6］罗兴锜．水轮机转流现代设计理论及应用［M］．西安:西安交通大学出版社，1997:56－58．

［7］陈金霞，李国伟，刘胜柱．叶道涡产生机理及对水轮机稳定性的影响［J］．大电机技术，2007，42(3):42～46．

［8］张鹏远，祝宝山，张乐福．混流式水轮机转轮区叶道涡压力脉动数值研究［J］．大电机技术，2009，35(6):35－38．

［9］石清华，许巍巍，龚莉．低水头混流式水轮机叶道涡引起的噪声及其消除［C］//第十六次中国水电设备学术讨论会论文集．哈尔滨:黑龙江科学技术出版社，2007:156－164．

［10］吴培豪．叶道涡的特性及其危害［C］//第十五次中国水电设备学术讨论会论文集．兰州:青海人民出版社，2004:110－116．

［11］伍晓芳，黄显文．岩滩水电站水轮机转轮分析对比［J］．红水河，2014，33(2):71－74．