混流式水轮机尾水管涡带及其改善措施研究

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雅砻江流域水电开发有限公司

1 引言

尾水管的动态稳定性是评估性能和能源性能的第一个重要标准。因此，分析部分负荷条件下的推力气流特性和涡旋形成机理非常重要。在过去的几年中，国内外许多专家对混流式水轮机的流动特性进行了大量研究，并找到了增加或降低风管压力的方法。下面本文从混流式水轮机尾水管涡带计算模型与数值方法、混流式水轮机尾水管涡带改善措施、混流式水轮机尾水管涡带计算结果与分析以及混流式水轮机尾水管涡带数值模拟结果分析等方面对本课题进行分析。

2 混流式水轮机尾水管涡带计算模型与数值方法

2.1 混流式水轮机尾水管涡带几何模型与网格划分

设计模型是某水电站的高水头混流式水轮机。熔体入口相应地扩大，以确保湍流的充分发展并使它更接近电流流场的边界条件，涡轮的几何参数如下。

转轮标称直径：

转轮叶片数：

导叶数：

转速：

额定水头：

额定出力：

转频：

叶频：

当混流式水轮机在轻负载下运行时，侧风会产生偏心轨道涡旋并产生压力频率脉冲。因此，本文对0.5Q 部分负荷工况下尾水管压力脉动进行分析，工况参数为以下数据。

导叶开度：

流量：

转速：

考虑到水轮机设计的复杂性，选择了一个灵活的，不规则的四面体网格，并在局部流体梯度完全改变的区域对网格进行了改进。为了测试网络是否有效共享并满足计算机的确切要求，我们从七组中创建了全通道涡轮模型，并选择了不同的网格尺寸。分别比较静态计算的性能特征。随着网络的增加，当网络数量增加到400万时，效率的值实际上不会改变并达到指定值。这表明当前对网络的增长进行了适当的计算并且影响很小。为了确保计算结果的可靠性，应尽可能减少网络数量，以减少计算时间。计算确定该通道整个计算机域中的网格单元数最终为4468890。

2.2 混流式水轮机尾水管涡带数值计算方法

为了更好地可视化水轮机涡带数值，以使用它来计算和分析总非晶流体以及基于雷诺平均值的Navier stokes 方程。选择了RNGk湍流模型作为湍流方程的封闭模型，以对水轮机井中的分离和涡流建模，因为RNGk湍流模型可以很好地考虑到壁面上的大尺度分离。在计算之前，设置边界条件，并指定质量流量的压力边界条件，入口条件以及零件入口和出口压力。在转轮和倒液活动的情况下，它在可尾流管之间提供动态和静态的连接界面。

在模拟不稳定的常数值之前，请模拟一个常数常量并将静态计算的结果用作初始常数值。通过计算不确定性常数的值，将组合的动态和固定接口置于临时转轮冻结模式。对于每3°的转轮转弯，一次是一个步骤，一次是0.001，将每个步骤的剩余时间都设置为10-4。计算4 圈的时间，因此计算结果保持不变。所以，水轮机在前四个循环中具有恒定的流场，相应地计算接下来的7 个周期。选择以分析最近7 个周期的仿真数据。通过分析设计的脉冲压力，描述各种操作条件下设计内部领域的脉冲规则[1]。

3 混流式水轮机尾水管涡带改善措施

3.1 混流式水轮机尾水管涡带压力脉动改善原理

大量研究表明，混流式水轮机尾水管涡轮压力脉动的改善可防止投射管偏离并在投射管中产生低压脉动。脉冲频率只是低速的一小部分。但是，它会影响设备的安全可靠运行，从而导致脉冲振动和输出振动。由于偏心涡流的初始位置位于尾流管出口，因此在尾流管出口处需要具有合适的液压系统，让出口颗粒在涡流真空管内起作用，以防止形成单个旋转涡流核。这可以通过某种方式进行改进由于旋转和压力引起的波纹。

3.2 混流式水轮机尾水管涡带改善压力脉动方案

脉动调节主要通过降低齿轮比和降低连续运行期间的涡旋速度来执行。在本文中，我们主要分析这三种方法对尾水管的低频和低脉冲频率的影响。选项1用于Purcon扩展，平面2的轴向出口旨在干扰水流。方案3由加长泄水锥的流量和轴的延长数倍组成，用于水的轴向流动的入口的方法在于改变泄水锥的出口通道的一部分，从溶质中提取水。水流通过上壳体和主轴法兰进入泄水锥的出口，最后进入轴的为水管。这干扰了为水管的涡流场。非均匀3D 常量（例如上述仿真方法）使用总通道电流来计算这三种方法，并分析不同吃水改进计划的压力脉动影响。

4 混流式水轮机尾水管涡带计算结果与分析

4.1 原型水轮机计算结果分析

由于脉冲振动，由涡带产生的压力是水轮机振动重要的因素。在图1示出了在部分负载条件下的混流水轮机的设计和排放测试期间观察到的涡带结构。由该图可知，当前的涡旋涡旋位于泄水锥的右侧，与水轮机的旋转中心不同，涡带的中心与手柄的旋转方向重合。这时，水导管的主脉冲频率为2.05 Hz，是低电压脉冲速度的四分之一。

图1 水轮机模型试验观测与计算尾水管涡带

为了检查本文档中许多计算结果的有效性，将测试模型数据与计算结果进行比较。图2显示了从模型测试和数值模拟获得的脉冲压力。从该图可以看出，基本脉冲频率的数值模拟结果与模型测试的结果吻合良好。

图2 试验和模拟结果对比

4.2 混流式水轮机尾水管涡带压力脉动幅值与频谱分析

为了更系统地研究尾水管中的压力波动，在每种方法中，取决于尾水管中的压力控制点，在将压力施加到尾水管之前，执行快速傅里叶变换以指示变化。各监测点压力脉动幅值和频率对比如下：原型水轮机监测点A：主频2.05Hz、幅值10996Pa，监测点D：主频2.05Hz、幅值24167Pa；方案1 监测点A：主频2.05Hz、幅值9507Pa，监测点D：主频2.05Hz、幅值23608Pa；方案2监测点A：主频2.37Hz、幅值9453Pa，监 测点D：主频3.37Hz、幅值21253Pa；方案3监测点A：主频2.5Hz、幅值5460Pa，监测点D：主频2.5Hz、幅值16320Pa。该对比显示每种方法的主脉冲频率与水轮机原型的主脉冲频率不同，并且每种方法的脉冲均为低频。同一步骤中不同控制点的脉冲压力基本频率相同。同时，可以看出，三个改进措施可以有效地减少重复压力。另一方面，选项3的纠正效果最好。

方案1中，在尾水管的直椎管段部分中的压力控制脉冲B的幅度显着减小，但是在倾斜部分n′中的控制点C 处的压力脉动的幅度没有显着减小。这意味着加长泄水锥可以减小尾水管中直椎管处的涡带，并且难以对尾水管的弯曲部分的涡流带进行制动效果。图2显示，在B监测中压力脉动的减少小于在C监测中包含脉动的减少，中断水力作用对腕肘的压力具有更好地抑制作用。根据以上分析，可以认为方案3的校准步骤对于减轻涡流最有效。结果表明，根据水轮机的当前状态，通过选择加长泄水锥和水力干预的方法，可以比当前增加对流长度的方法或仅使用水力干预的方法更为有效。

4.3 混流式水轮机尾水管涡带各方案效率分析

分析这三个改进措施对混轮式水轮机效率的影响，分别计算了原型水轮机和改装水轮机的效率。经计算，水轮机的效率可以保持不变，达到92.5%，在图1 中，水轮机的效率为4.43%，在图2 中为90.74%。相比之下，水轮机的效率最低。这可能是由于流速增加了对尾水管向溶质的喷射所需要的水力干预。由于液体不通过叶轮，因此水轮机效率降低。

5 混流式水轮机尾水管涡带数值模拟结果分析

对长叶片混流式水轮机上的水轮机进行了数值模拟分析，同时对真空锥，轴向水力张紧和较长的真空晶粒以及轴向水力扰动进行了研究。

（1）在部分负荷下，由于弱电流，推力将在转子外部沿相同方向形成一个环，并且水流过偏心轨道涡旋的中心，偏心路径衰减是由于低频脉冲。

（2）扩大尾水管的直锥管段部分和弯曲部分中的压力流量对压力脉动幅值有很大的影响，可以有效地减少弯管段中的偏心压力间隙。这对压力波动的幅度影响很小。涡流沿着泄水锥出口的长度引入下流区域。加长泄水锤措施可以通过减小拉伸过程中的涡旋力来提高装置的稳定性。

（3）三种改善措施均会降低水轮机的效率。持续的泄水椎排放和水力干扰的结合是主要影响水轮机的性能的因素。这比原型水轮机少2.21%。

（4）排水和水力干预的长期结合会影响设备的效率，因此需要做出正确的选择才能有效地使用它的干扰流速和长度[2]。

6 结束语

混流式水轮机发电机组通过饮水是尽量地将管道中的水均匀地分配到转轮前导水机构，并利用导液来控制水流量，当水流过斜槽且能量转换完成时，水将流入斜槽侧面的尾水管。流向混流式水轮机叶轮出口的水量减少，叶轮入口与出口之间的能隙增加，这增加了使用的总能量。尾水管是水轮机不可或缺的一部分，其性能和耐用性直接影响混流式水轮机的高效和可靠运行。