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混流式水轮机启动过程中流场相干结构分析

2023-08-26苏立毛成沈春和文贤馗

人民长江 2023年8期
关键词:混流式蜗壳导叶

苏立 毛成 沈春和 文贤馗

摘要:

为研究混流式水轮机启动过程中转轮区及尾水管流场特征,利用数值模拟方法,开展了混流式水轮机的全流道非定常数值研究,揭示了混流式水轮机在不同工况下启动过程中叶轮区的速度特征与流场中瞬态变化的流动特性。研究表明:额定工况下水轮机的导叶区流速沿流道均匀增大且平缓无冲击,蜗壳流道内无明显分离或涡流。启动过程中水流相对速度方向与转轮区内流动方向不一致,尾水管的相干结构最初为大尺度涡结构,随着水流冲击载荷的增大逐步将刚形成不久的大尺度涡结构冲散,随后将边缘的小尺度涡整合形成细长而稳定的涡带结构。研究结论有助于更好地了解混流式水轮机启动过程中的内流动演变特征以及尾水管的涡带特征。

关 键 词:

混流式水轮机; 涡结构; 流场特征; 启动过程

中图法分类号: TK733

文献标志码:

DOI:10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.08.027

0 引 言

水力发电是实现“碳达峰”与“碳中和”的重要途径之一,而水轮机是水力发电的重要装备之一。近年来,风能、太阳能和潮汐发电等间歇性能源并入电网,这就不可避免地导致电网系统不稳定,水轮机在调峰调频方面发挥了越来越重要的作用。频繁的调节需要水轮机在设计点之外运行,给机组安全运行带来了一定的挑战,如高幅度的压力脉动[1-2]、涡流破裂[3]、空化[4-5]、共振和动静交互[6-9]等。文献[10-11]指出,调峰调频水轮机每年可能经历500多次启停循环,这远超它的设计循环次数。毫无疑问,机组的频繁启动以及非设计工况可能导致设备产生振动与部件失效。因此,开展混流式水輪机启动过程中流场的相干结构研究,分析蜗壳与尾水管流场流态,了解启动过程对机组性能的影响具有重要意义。

关于不同工况对混流式水轮机性能影响的研究,业界内学者已开展了较为丰富研究。如Gagnon等[12]研究了不同工况对混流式水轮机疲劳寿命的影响,给出了可以提高水轮机使用寿命的优化方案。Nicolle等[13]通过数值模拟方式研究了低水头混流式水轮机导叶开度对机组性能的影响,较好地捕捉到流道和尾水管的流动特性,并将数值结果与试验结果进行了对比验证。Trivedi等[14]利用试验手段研究了导叶开启方式对高水头混流式水轮机启动过程的影响。Unterluggauer等[15]研究了两种导叶的常规开度方案和降低开度的极限方案,给出了降低开度方案可以明显降低疲劳损伤的结论,并对水轮机的涡量场进行了分析,给出了叶道涡比尾水管涡对结构动应力的影响要大的结论。

实际上,水轮机启动过程产生的瞬变涡流及伴随产生的振动同样被认为是导致水轮机疲劳损伤破坏的运行条件之一[12],尽管试验研究是评估水轮机流场的重要手段,但成本高昂,且在可获得性和测量流动细节方面存在许多限制。而数值模拟手段可弥补上述缺陷。对此,本文基于数值模拟方法对混流式水轮机启动过程中的瞬变流及其脉动进行了分析研究,以揭示水轮机启动过程中蜗壳内流态及尾水管内涡带的特征。

1 模型与网格划分

1.1 三维模型

以混流式水轮机HLA551c-WJ-71为原型建立三维数值模型,导叶由13个叶片、双层24个活动导叶与11个分流固定导叶组成。混流式涡轮机的示意图如图1所示,具体参数如下:

蜗壳最大直径D1         896 mm

蜗壳最大直径D21181 mm

蜗壳包角αc345°

蜗壳进口直径D3840 mm

叶轮直径D4704 mm

叶片数Z13

固定导叶最大圆直径D5826 mm

活动导叶最大圆直径D6984 mm

活动导叶数ZG24

固定导叶数ZS11

比转速ns279

额定水头H/m32

1.2 网格剖分

根据图1的水轮机示意图,结构分为蜗壳区、导叶区、叶轮区、尾水管区4个区域。由于转轮区流道的复杂性,本文采用混合网格进行剖分,其网格如图2所示。同时以稳定状态下的飞逸转速作为评价标准进行了网格无关性检验(如表1所列)。结果表明,网格数在140万~270万之间,飞逸转速波动到1%以下,网格数的量级满足计算精度要求。

1.3 边界条件

对于启动状态下的变速运动,本文采用STAR-CCM+的六自由度DFBI(Dynamic Fluid Body Interaction)运动模型来模拟刚体与流体相互作用下的运动。本文以额定流量为进口条件,出口设置为静压出口。采用SST k-ε湍流模型模拟不同工况下的内部流动情况[16-19]。在多相流方面,将纯水和25 ℃水蒸气分别设置为气液两相介质,设置空化的饱和蒸汽压为3 540 Pa。对于进口条件,纯水和蒸汽的体积分数分别设置为1和0。旋转域和静态域通过界面建模方法结合,采用冻结转子模型,整体计算残差设定为10-5。由于启动状态为变速过程,因此步长不再与叶轮旋转角度关联,稳态计算时间步长设置为10-3 s。

在水轮机启动过程中导叶与转轮区域速度场如图5所示。图5为启动过程中转轮速度达到飞逸转速一半时的速度矢量图(飞逸转速vmax为轴端负荷力矩为零时的最高转速,即v=0.5vmax)。由图可见,相对速度方向与转轮内流动方向并不相同,导致转轮入口处冲击严重,且在流道之间存在回流,这将导致涡及涡空化等危害性现象(图5中红色箭头所示)。这些问题从一方面来说,会使转轮所获得的动能减小,水电转换效率降低;另一方面叶道涡也可能引发结构共振以及在流体内产生低压进而发生空化,从而导致机组关键部件损坏。

同時,为了分析转轮叶道流体的流动特性,图6为不同叶片高度下横截面上的流动速度和流向(S=0~1表示从转轮流道最内圈带到流道最外圈的距离)。由图6可知:转轮出口处的相对速度较小,但流道内流线混乱,这将导致流体不能顺利地流出转轮,进而影响流体顺利进入尾水管。

2.2 尾水管的流场与涡量分析

流体流经固定导叶和活动导叶后进入转轮区,在转轮内发生能量交换,之后流体流入尾水管。进入尾水管的流体流态对尾水管结构有很大影响。在水轮机启动过程中,水流在叶轮静止状态时顺着导叶与叶片间的流道流动,形成三维扭曲的涡流结构,此时的大尺度涡出现在尾水管的顶部,

如图7(a)、(b)所示。随着水流冲击导叶与转轮叶片,涡轮机负荷增加,不断增长的流速以及不断扭曲的流场冲散了涡结构,大尺度涡部分消失,取而代之的是在流道下游形成拉长的涡带结构以及附着于边缘的小尺度涡,如图7(c)、(d)所示。由文献[24]可知:这是由于向下旋流区域和分离的向上流动区域之间的剪切层不稳定造成的。随着转速的不断增加,涡流结构不断发展和扩展,不稳定的涡旋结构逐渐合并形成一个较大且较为稳定的相干结构,完全整合后的中央涡流变得更加稳定,并向管中心移动。

从图7的流线分析可知:在水轮机启动状态下,围绕中心轴旋转的小涡旋合并成一个稳定的细长涡旋,附着在转轮中心轴下方,而在尾水管下游靠近弯头处,存在一个显著的涡流大范围分离的流场(如图8(a)~(f)所示)。这种存在于尾水管弯头上游的大型持续涡旋结构将导致低频脉动的产生,同时对流体机械的使用寿命也会有影响。

3 结 论

(1) 水轮机从启动状态到额定工况的过程中,仅在稳定的高效率点运行时水流相对速度方向与转轮内流动方向才相一致,其余工况下水流相对速度方向与转轮内流动方向不同,这将导致水流冲击能量的损耗以及流体回流产生涡旋。

(2) 尾水管中形成的复杂流动结构具有较强的俯冲效应,叶轮转速的逐步增加将使尾水管的相干结构不断改变,演变过程为大尺度涡结构→涡带结构以及附着于边缘的小尺度涡→稳定的涡带结构。

(3) 在叶轮低转速条件下,尾水管内可观察到较大的持续涡结构。随着转轮速度逐渐增大,不稳定涡结构将会整合并且达到细长而稳定的涡带状态。从涡量角度考虑,低速状态下不稳定的大尺度涡的频繁生成与脱离是低频振荡的主要原因。

参考文献:

[1] SICK M,MICHLER W,WEISS T,et al.Recent developments in the dynamic analysis of water turbines[J].Journal of Power & Energy,2009,223(A4):415-427

[2] LIU X,LUO Y,WANG Z.A review on fatigue damage mechanism in hydro turbines[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2016,54(2):1-14.

[3] CHIRAG T.A review on fluid structure interaction in hydraulic turbines:A focus on hydrodynamic damping[J].Engineering Failure Analysis,2017,77:1-22.

[4] XIE Z S,SHI W D,TIAN Q,et al.Fatigue life assessment and damage investigation of centrifugal pump runner[J].Engineering Failure Analysis,2021,124:105256

[5] XIE Z S,SHI W D,ZHENG Y,et al.Simulation investigation on impact damage characteristics of metal plate by cavitating bubble micro-jet water hammer[J].Engineering Failure Analysis,2020,115:104626.

[6] 郭涛,张立翔.混流式水轮机尾水管近壁湍流特性和流场结构研究[J].农业机械学报,2014,45(9):112-118.

[7] 郭涛,张立翔.混流式水轮机小开度下导水机构内湍流特性和叶道涡结构研究[J].工程力学,2015(6):222-230

[8] 郑源,汪宝罗,屈波.混流式水轮机尾水管压力脉动研究综述[J].水力发电,2007,33(2):66-69.

[9] 杨林,许哲,郑源.大型低扬程泵站的停机过渡过程研究[J].水利建设与管理,2020,40(2):73-79.

[10] VILLANUEVA M D,HAPITAN J E.Design,fabrication and testing of a hydraulic turbine runner for a double suction centrifugal pump in turbine mode[C]∥International Conference on Informatics,Environment,Energy and Applications,2019.

[11] GOYAL R,CERVANTES M J,GANDHI B K.Synchronized PIV and pressure measurements on a model Francis turbine during start-up[J].Journal of Hydraulic Research,2020,58(1):70-86.

[12] GAGNON M,TAHAN S A,BOCHER P,et al.Impact of startup scheme on Francis runner life expectancy[J].IOP Conference Series:Earth and Environmental Science,2010,12(1):012107.

[13] NICOLLE J,MORISSETTE J F,GIROUX A M.Transient CFD simulation of a Francis turbine startup[J].IOP Conference Series:Earth and Environmental Science,2012,15(6):062014.

[14] TRIVEDI C,CERVANTES M J,GANDHI B K,et al.Erratum to:Experimental investigations of transient pressure variations in a high head model Francis turbine during start-up and shutdown[J].Journal of Hydrodynamics,2018,30:974.

[15] UNTERLUGGAUER J,SULZGRUBER V,DOUJAK E,et al.Experimental and numerical study of a prototype Francis turbine startup[J].Renewable Energy,2020,157:1212-1221.

[16] ZINGG D W,GODIN P.A perspective on turbulence models for aerodynamic flows[J].International Journal of Computational Fluid Dynamics,2009,23(4):327-335.

[17] MENTER F R.Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications[J].AIAA Journal,1994,32(8):1598-1605.

[18] FOIAS C,HOLM D D,TITI E S.The three dimensional viscous Camassa-Holm Equations,and their relation to the Navier-Stokes Equations and turbulence theory[J].Journal of Dynamics & Differential Equations,2002,14(1):1-35.

[19] DENG W Q,XU L C,LI Z,et al.Stability analysis of vaneless space in high-head pump-turbine under turbine mode:computational fluid dynamics simulation and particle imaging velocimetry measurement[J].Machines,2022,10(2).

[20] CHIRAG T,MICHEL J.Experimental and numerical studies of a high-head francis turbine:a review of the Francis-99 test case[J].Energies,2016,9(2):1-24.

[21] TRIVEDI C,CERVANTES M J.State of the art in numerical simulation of high head Francis turbines[J].Renewable Energy and Environmental Sustainability,2016,1:20.

[22] SHEN Y,CHEN W Z,ZHANG L L,et al.The dynamics of cavitation bubbles in a sealed vessel[J].Ultrasonics Sonochemistry,2021,82:105865.

[23] CHENG H Y,BAI X R,LONG X P,et al.Large eddy simulation of the tip-leakage cavitating flow with an insight on how cavitation influences vorticity and turbulence[J].Applied Mathematical Modelling,2019,77:788-809.

[24] SALEHI S,NILSSON H.Flow-induced pulsations in Francis turbines during startup:A consequence of an intermittent energy system[J].Renewable Energy,2022,188:1166-1183.

(編辑:郑 毅)

Abstract:

In order to study the flow field characteristics of runner area and draft tube during the start-up of Francis turbines,we use the numerical simulation method to carry out the unsteady numerical study on the whole flow channel of a Francis turbine,and reveal the speed characteristics of impeller and the transient flow characteristics in the flow field during the start-up of the Francis turbine under different working conditions.The research show that the flow velocity in the guide vane area of the turbine increases uniformly and smoothly without impacting along the flow channel under rated working conditions,and there is no obvious separation or vortex in the volute flow channel.However,during the start-up process,the relative velocity direction of the water flow is in consistent with the flow direction in the runner area.The coherent structure of the draft tube is initially a large-scale vortex structure.With the increasing impact load of the water flow,the newly formed large-scale vortex structure is gradually dispersed,and then the small-scale vortex at the edge is integrated to form a slender and stable vortex rope structure.The research results can help to better understand the evolution characteristics of internal flow and the vortex characteristics of draft tube during the start-up of Francis turbines.

Key words:

Francis turbine;vortex structure;flow field characteristics;start-up

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