沙河抽水蓄能电站技改转轮空化特性分析

李远余，杨卫彬，2，郑智颖，张 韬，2，李金朋

(1.哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150040；2.水力发电设备国家重点实验室(哈尔滨大电机研究所)，黑龙江 哈尔滨 150040；3.哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

空化现象普遍发生在以液体为工作介质的叶片式流体机械中，也是导致水力机械水力性能下降、寿命缩短、振动噪声加剧的主要原因[1]，在个别电站会伴随裂纹等缺陷的发生，给电站带来极大的安全隐患.特别是水泵水轮发电机组兼具水头高、工况转换频繁、双向水流等特性，对机组稳定性的要求更高，无空化运行的保证更为至关重要.因此，对水泵水轮机开展空化特性分析研究，可为提升水泵水轮机整体性能和抗空化特性提供有力依据.

目前，空化特性已成为衡量大型水力机组性能的重要指标，水泵水轮机在早期应用时，就已经发现水泵工况空化性能比水轮机工况空化性能差[2].这是因为蓄能机组在水泵工况运行时，转轮低压侧压力较低，当空化系数降低到某一程度时叶片低压处气核会膨胀而后溃灭，在此过程中，气穴附近的流体会极速占据空泡位置形成高强度射流，而射流作用到固体表面时，会使其产生疲劳破坏，也就是空化现象[3-4].空化现象一般出现在非设计工况点，并且当水泵水轮机运行工况改变时，空化自身及其引起的流动状态也会发生改变，空化的发生及发展会严重影响水泵水轮机的稳定运行[5].空化初生时，机组所受影响较小，外特性不随空化系数而线性变化；但随着空化程度加剧，空泡形成的固定结构会阻塞流道，导致流量及输出功率降低，从而导致水力效率陡然下降.水力机组中的振动和噪声问题往往也与空泡溃灭时对边壁的冲击有关[6].另外，空化形成的结构干扰了主流区的流动，使流道变得狭窄、摩擦阻力增大，这些因素都会导致水泵水轮机水力性能的降低[7].在水流动过程中，空泡的发生和溃灭都将会使水力机械内部流场产生湍流并引起较强的压力脉动，对机组安全稳定运行构成威胁.

本文首先从水泵水轮机产生空化机理的理论角度出发并结合沙河电站转轮实际空蚀情况，阐述了沙河电站原转轮发生空化的原因，介绍了提高转轮抗空化性能方面采取的措施，然后通过全流道CFD(Computational Fluid Dynamics)模拟对转轮进行了优化设计，最后针对优化后的模型转轮开展了模型试验.相关措施及经验可为后续类似蓄能机组改造提供重要参考意见，并为推进我国抽水蓄能电站建设作出相应贡献.

1 转轮技改概述

1.1 电站简介

沙河抽水蓄能电站位于江苏省溧阳市天目湖境内，电站安装两台立式单级混流可逆式水泵水轮发电机组(型号：HLN221-LJ-332)，并先后于2002年6月和7月开始投入商业运行.电站总装机容量100 MW，单机容量50 MW，年设计发电量1.82亿kW·h.沙河电站在江苏电网中承担着电网的调峰填谷、事故备用、调相及黑启动等任务，电站基本参数如表1所示.

表1 沙河抽水蓄能电站基本参数

1.2 转轮空蚀情况

沙河电站自2009年起，分别在机组检修期间发现两台机组转轮存在不同程度的空蚀缺陷，叶片表面堆焊层孔洞处的气泡溃灭加速了空蚀发展，进而诱发叶片裂纹，如图1所示.空蚀与裂纹相互作用扩展迅速.电站为防止缺陷快速扩展，于2010年～2011年检修和2012年～2013年A修期间，对较深的空蚀区域和转轮角焊缝上的裂纹进行了局部维修和处理.但在2014年～2016年机组检修期间发现两台转轮在修复部位仍有不同程度的空蚀及裂纹出现，特别是1#机5号叶片上的部分裂纹已深入母材.

图1 转轮叶片空蚀情况

电站多次维修处理结果表明，仅通过维修不能改善转轮空化特性并彻底消除转轮裂纹隐患，相反维修补焊所产生的焊接残余应力间接加速了裂纹扩展，使机组运行在空化更加剧烈的条件下.

1.3 原转轮空蚀原因分析

为了彻底消除转轮空蚀、裂纹现象，本文中首先分析了沙河电站转轮产生空化及裂纹现象的根本原因，主要包括设计和制造工艺控制不严两方面，这将为彻底提升转轮空化特性奠定坚实的基础.

1.3.1 设计原因分析

根据水泵水轮机无空化运行要求，在水泵工况正常运行条件下(频率为49.8 Hz～50.5 Hz)，电站空化系数σP大于初生空化系数σi.而据相关资料反应，沙河电站原转轮存在设计缺陷，转轮空化特性较差，部分水泵工况空化安全倍数不足.究其原因是原厂商当时无适合沙河电站100 m水头段的储备模型转轮，且水力模型研发受制造和工期等因素限制，在没能取得最理想模型转轮的情况下就投入生产.模型试验结果显示，水泵水轮机效率、压力脉动、驼峰余量等关键性能指标均满足合同要求，但部分水泵工况空化结果不满足合同要求.图2给出了前期试验与验收试验中水泵工况模型空化试验结果，在单位流量小于335 L/s的全扬程范围及流量大于335 L/s的下库低水位扬程范围内，转轮初生汽蚀余量NPSHi大于电站汽蚀余量NPSHp，即水泵是处于有空化的情况下运行的.因此，空化安全余量不足是造成沙河电站转轮空蚀的根本原因.

图2 水泵工况空化试验结果(图中NPSHc为临界汽蚀余量)

1.3.2 制造原因分析

由于模型试验结果显示转轮在部分工况下空化性能不合格，验收专家组建议原厂商从材质和制造工艺中加以弥补.原厂商采取增加抗空蚀层作为弥补措施，即在转轮出水边(水泵工况进水边)增加堆焊层，该堆焊层焊后维氏硬度为250～280，厚度为3 mm，范围为距水轮机出口100 mm，向水轮机进口方向延伸700 mm，向叶片方向延伸540 mm，向下环方向延伸60 mm.但原厂商在转轮增加堆焊层时，焊接工艺控制不够严格，堆焊层和母材之间存在孔洞、未焊透、未融合等诸多焊接缺陷.叶片表面存在孔洞等缺陷直接促进了气泡的溃灭，是导致转轮出现空蚀及裂纹等缺陷的另一个重要原因[8].

另外，在水泵工况空化试验过程中，发现各个叶片的气泡状态不完全一样，分析可能是模型翼型加工差异过大引起，据此推断原型叶片间差异也可能是造成空蚀的一个因素.

2 CFD优化结果及分析

2.1 数值方法

随着CFD的发展和计算机技术的提高，采用数值模拟计算方法预测水力机械的空化流动已经成为研究的热点[9-10].Tao等[11]对水泵水轮机工况的空化特性进行了数值模拟，并与试验结果进行对比发现，数值计算对空化产生的位置和范围具有较高的模拟精度.本文利用CFD模拟针对典型工况完成了沙河水泵水轮机全流道(包括蜗壳、固定导叶及活动导叶，转轮以及尾水管)的水力优化分析，在保持其它关键指标不变的前提下，重点开展水泵水轮机的空化特性优化.为此主要针对转轮进行了改型，在保持高压边直径与低压边直径不变的基础上，通过改变叶形和延展叶片低压边来控制速度三角形，从而改善转轮内部流动状态，减小叶片表面压力梯度，具体效果如图3和图4所示.流态改善和压力梯度减小均可提高转轮的抗空化能力，减小初生汽蚀余量NPSHi.基于上述思路设计了多个转轮，并针对这些转轮开展全流道CFD模拟，最终通过对计算结果进行对比分析得到优化模型转轮.数值模拟中采用的水泵工况和水轮机工况的计算工况见表2，全流道计算模型如图5所示.

图3 优化前后叶形对比

表2 水泵工况和水轮机工况下的全流道数值模拟计算工况

图4 优化前后轴面对比图5 全流道计算模型

数值模拟计算中湍流模型采用标准k-ε模型[12]，固体表面采用无滑移条件，近壁区采用壁面函数法对流动进行处理.水泵和水轮机两种运行工况下均采用质量流量作为进口边界条件，来流方向均为法向入流；出口均采用相对静压，参考压力为0 Pa作为出口边界条件.计算域采用非结构化网格进行划分，详细的网格划分情况如图6所示.本文针对不同的网格尺度，生成多套不同的全流道网格.以此对水轮机设计工况进行了模拟计算，通过效率η特性的比较进行网格无关性验证，最终采用的网格系统中的各部件网格数如表3所示.

图6 水泵水轮机网格划分示意图

表3 各部件网格数

为了验证本文所建立的数值模拟计算方法的准确性和可行性，针对水头105 m时水轮机工况下50%～100%额定负荷范围内6个工况和扬程98 m～123 m范围内的6个水泵工况进行了数值模拟，并与模型试验结果进行了对比，如图7所示.从图中可以看出，数值模拟得到的水轮机工况和水泵工况效率随流量的变化与模型试验得到的结果有相同的趋势，且模型试验得到的效率均略低于数值模拟得到的效率，最大绝对差距为1.45%，考虑到模型试验中存在的容积、水力、机械及圆盘等损失，模型试验与数值模拟结果之间的差距在合理范围内，从而验证了本文中数值模拟方法的正确性.

图7 数值模拟方法验证

2.2 水轮机工况数值模拟结果

优化模型转轮水轮机工况全流道数值模拟结果如图8所示.从图8(a)可以看出，转轮与活动导叶之间压力分布无突变，蜗壳内部压力分布变化均匀，说明水轮机工况下因动静干涉引起的无叶区压力脉动和蜗壳内部压力脉动均处在很低的水平.从图8(b)可以看出，双列叶栅内速度矢量分布无冲击，蜗壳内速度矢量分布无涡流，说明双列叶栅和蜗壳内流动损失很小.从叶片表面压力分布(图8(c)和8(d))和流线图(图8(e)和8(f))可以看出，转轮叶片表面压力梯度变化均匀，转轮内部流线分布流畅无弯曲，说明转轮有较高的效率水平.

图8 水轮机工况流场

2.3 水泵工况数值模拟结果

混流式水泵水轮机以水泵工况作为机组空化考核指标.水泵工况全流道数值模拟结果如图9所示.从图9(a)可以看出，机组中心线平面压力分布均匀，转轮与活动导叶之间压力分布无突变，说明水泵工况下因动静干涉引起的无叶区压力脉动很小；蜗壳内部压力分布变化均匀，说明蜗壳内部压力脉动也处在很低的水平.从速度矢量图(图9(b))可以看出，机组中心线平面速度矢量分布整齐合理，双列叶栅内速度矢量分布无冲击，蜗壳内速度矢量分布无涡流，说明双列叶栅和蜗壳内的流动损失很小.从图9(c)至9(f)可以看出，转轮叶片表面压力梯度变化均匀，转轮内部流线分布流畅无弯曲，说明转轮有较高的效率水平.叶片最低压力大小适中且分布位置合理，预示转轮具有较好的空化性能.为了定量评价空化性能，公式(1)～公式(3)给出了汽蚀基本方程，当NPSHp小于NPSHi时，水泵水轮机即发生汽蚀.

图9 水泵工况流场

NPSHp=NPSHi

(1)

NPSHp=Hamb-Hva-Zc+Zl-ΔHd

(2)

(3)

公式中：Hamb为环境压力对应的水头，其值为10.352 m；Hva为水的汽化压力对应的水头，其值为0.204 m；Zc为安装高程，其值为-8.0 m；Z1为下游运行水位，其值为15.0 m；ΔHd为下游损失，本文中忽略不计；v0为数值计算中的进口流速，其值为9.9 m/s；ω0为数值计算中的相对速度，其值为14.6 m/s；λ为压降系数，其值为1.8 m.由此可计算得到NPSHp=33.1 m，NPSHi=24.6 m，空化倍数NPSHp/NPSHi=1.34，满足水泵水轮机无空化运行要求，转轮空化性能优异.

3 水泵工况空化试验结果

在获得理想CFD结果之后针对优化模型转轮开展了模型试验，结果表明水泵水轮机效率、压力脉动、驼峰余量等关键性能指标均满足合同要求.其中，水泵工况空化试验在规定的扬程、输入功率和频率下进行，空化试验覆盖整个水泵工况运行范围.水泵正常运行工况下的空化系数范围如图10所示.部分空化试验结果如表4所示.

图10 水泵正常运行工况下空化系数范围

表4 水泵工况空化试验结果

从图10和表4中可以看出，在电站正常运行条件下，水泵水轮机在水泵工况下具有足够的空化安全余量.在正常运行范围内，电站空化系数σP与临界空化系数σc的比值大于1.4，电站空化系数σP与初生空化系数σi的比值大于1.05，满足合同要求且空化性能优良，可保证机组在无空化状态下安全运行，完全满足水泵水轮机的安全稳定运行的要求.

4 结 论

为了彻底消除沙河电站转轮空蚀和裂纹现象，结合原转轮实际空蚀情况，分析了空化发生的原因，通过全流道CFD模拟对转轮进行了优化设计和水力分析，并对优化模型转轮开展了模型试验.主要得到以下结论：

(1)原水泵水轮机空化特性差和制造工艺不严是沙河电站原转轮空化的根本原因.

(2)CFD模拟结果表明，优化后的转轮压力脉动较小，效率水平较高，叶片表面压力分布均匀、无突变，最低压力分布合理，空化性能优异.

(3)模型试验结果表明，转轮优化后水泵水轮机的各项指标全部满足合同要求，综合性能优良；在水泵工况正常运行范围内，电站空化系数σP与临界空化系数σc的比值大于1.4，电站空化系数σP与初生空化系数σi的比值大于1.05，完全满足电站无空化运行的要求.