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基于CFD的大型立式軸流泵反向發(fā)電穩(wěn)定性能分析

2019-08-01 08:33何中偉汪昊藍(lán)
水電站機(jī)電技術(shù) 2019年7期
關(guān)鍵詞:軸流泵周向轉(zhuǎn)輪

周 穎,鄭 源,何中偉,汪昊藍(lán)

(1. 河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京210098;2. 河海大學(xué)創(chuàng)新研究院,江蘇 南京210098;3. 中國電建華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江 杭州311100)

1 研究背景

泵站在我國南水北調(diào)工程中發(fā)揮著重要的作用,具有排澇防洪,解決農(nóng)業(yè)用水問題等。部分水泵可進(jìn)行反向發(fā)電獲得一定的經(jīng)濟(jì)效益,但當(dāng)水泵在進(jìn)行反向發(fā)電時(shí),水流流態(tài)受進(jìn)出水流道的影響,壓力脈動較水泵工況下會發(fā)生一定的改變,嚴(yán)重時(shí)甚至對廠房結(jié)構(gòu)形成威脅。

對軸流泵壓力脈動及反向運(yùn)行方式的研究很多。張德勝[1]等通過模型試驗(yàn)研究了斜流泵葉輪進(jìn)口段至導(dǎo)葉出口段設(shè)置7個(gè)壓力脈動處,不同工況下高比轉(zhuǎn)速斜流泵內(nèi)部壓力脈動特性和規(guī)律;黎義斌[2]等通過設(shè)置壓力脈動監(jiān)測點(diǎn),研究動靜干涉對混流泵內(nèi)部流動非定常壓力脈動特性的影響,并進(jìn)行了試驗(yàn)與數(shù)值模擬的對比驗(yàn)證;羅旭[3]等采用CFX軟件對離心泵的內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬,分析其不同監(jiān)測點(diǎn)在不同流量下的壓力脈動特性。施衛(wèi)東[4]等針對軸流泵模型,對不同轉(zhuǎn)速下的模型進(jìn)行試驗(yàn),分析壓力脈動頻率分布規(guī)律;張德勝[5]等對軸流泵在不同流量工況下的壓力脈動特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究,分析壓力脈動的位置及頻率分布規(guī)律;楊建東[6]等對水泵水輪機(jī)在偏離設(shè)置工況下,進(jìn)行了試驗(yàn)測量,分析各部分壓力脈動形成的原因;王松林[7]等基于RNG k-ε湍流模型及輸運(yùn)方程空化模型,對小流量工況離心泵瞬態(tài)空化流動進(jìn)行數(shù)值模擬,研究壓力脈動在流道不同位置的分布規(guī)律;湯方平[8]等基于RANS方程和RNG k-ε模型,采用Ansys-CFX軟件對軸流泵泵段進(jìn)行了多工況三維非定常數(shù)值模擬,得到了不同工況下軸流泵內(nèi)部不同監(jiān)測點(diǎn)的水流壓力脈動值規(guī)律。

前人對于軸流泵抽水時(shí)的穩(wěn)定性研究較多,而對泵站反向運(yùn)行的穩(wěn)定性分析很少。本文通過對泵站流道進(jìn)行全數(shù)值模擬,并對泵站正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)工況下,在最優(yōu)工況點(diǎn)時(shí),在不同位置產(chǎn)生的壓力脈動規(guī)律進(jìn)行分析,研究泵反向發(fā)電時(shí)的穩(wěn)定性問題。

2 數(shù)值模擬與試驗(yàn)

2.1 模型建立及網(wǎng)格劃分

如圖1所示,本文結(jié)合南水北調(diào)東線某泵站進(jìn)行反向發(fā)電工況的數(shù)值模擬[9]。泵站機(jī)組基本參數(shù)如下:正反轉(zhuǎn)運(yùn)行轉(zhuǎn)速均為150 r/min、設(shè)計(jì)揚(yáng)程4.70 m,葉輪葉片為3片,安放角為-2°。

因軸流泵結(jié)構(gòu)復(fù)雜,采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分,對轉(zhuǎn)輪部分及導(dǎo)葉部分進(jìn)行加密。對網(wǎng)格進(jìn)行無關(guān)性驗(yàn)證[10]后最終確定方案劃分網(wǎng)格總數(shù)為250萬,其中轉(zhuǎn)輪體網(wǎng)格總數(shù)為103萬,導(dǎo)葉體97萬。

圖1 流道整體圖

2.2 基本控制方程

流體基本控制方程采用基于Reynolds平均的Navier-stokes方程[10],如公式(1)所示:

其中t為時(shí)間;ρm為混合項(xiàng)的密度;μt為湍流粘性系數(shù);μm為動力粘性系數(shù),按汽,液兩相體積分?jǐn)?shù)加權(quán)平均后獲得;p為壓力;u為速度矢量。

3 邊界條件及試驗(yàn)

3.1 壓力脈動監(jiān)測點(diǎn)布置

如圖1所示,在轉(zhuǎn)輪進(jìn)出口截面設(shè)2個(gè)監(jiān)測面,兩監(jiān)測面距離為2.2 m。為研究監(jiān)測面壓力脈動分布規(guī)律,徑向設(shè)置A1~A3,B1~B3三個(gè)監(jiān)測點(diǎn);周向設(shè)置A2,A4,A5及B2,B4,B5三個(gè)監(jiān)測點(diǎn),監(jiān)測點(diǎn)分布如圖2所示。

圖2 監(jiān)測面及監(jiān)測點(diǎn)示意圖

為研究轉(zhuǎn)輪前后壓力脈動規(guī)律,需進(jìn)行非定常計(jì)算[11]。非定常計(jì)算以定常計(jì)算為初場,定常計(jì)算時(shí)設(shè)置動靜交接面為冷結(jié)轉(zhuǎn)子類型frozen rotor interface,非定常計(jì)算設(shè)置動靜交接面為瞬態(tài)凍結(jié)轉(zhuǎn)子類型transient rotor,轉(zhuǎn)輪邊界均采用壓力進(jìn)出口[12]。湍流模型選取為SSTk-ε,采用自動壁面函數(shù),固體面設(shè)置為無滑移,湍流粘度項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式,在時(shí)間域上采用二階全隱式進(jìn)行離散[13],為確保進(jìn)行壓力脈動計(jì)算時(shí)非定常結(jié)果的穩(wěn)定性,設(shè)置總的采樣時(shí)間為10個(gè)周期,設(shè)置時(shí)間步長為0.001 s,收斂殘差為10-5,選取計(jì)算最后2個(gè)周期各點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析壓力脈動規(guī)律[14]。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

圖3為河海大學(xué)水力機(jī)械多功能試驗(yàn)臺,軸流泵反向發(fā)電試驗(yàn)在此進(jìn)行。試驗(yàn)臺按照《SL140-2006水泵模型及裝置模型驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行設(shè)計(jì)與建造,試驗(yàn)綜合不確定度≤0.4%。

在軸流泵轉(zhuǎn)輪葉片安放角為0°時(shí),采用現(xiàn)場試驗(yàn)及數(shù)值模擬的方法,通過不斷改變流量得到水泵的外特性曲線(見圖4)??傮w看來試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果誤差較小,流量-揚(yáng)程曲線及流量效率曲線與試驗(yàn)結(jié)果較好地吻合,2條曲線趨勢保持一致,驗(yàn)證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。

圖3 試驗(yàn)臺

圖4 軸流泵外特性圖

4 結(jié)果分析

4.1 壓力脈動時(shí)域圖分析

通過數(shù)值計(jì)算得到軸流泵處于水泵反向發(fā)電工況時(shí)內(nèi)部各監(jiān)測點(diǎn)壓力脈動的時(shí)域信息[16]。為了消除監(jiān)測點(diǎn)本身的靜壓對該點(diǎn)壓力脈動的影響,在分析中引入無量綱的壓力脈動系數(shù)CP,其表達(dá)式為

式中CP為無量綱的壓力系數(shù);Pi為監(jiān)測點(diǎn)在某一時(shí)刻的靜壓值,單位Pa,Pave為一個(gè)轉(zhuǎn)動周期內(nèi)靜壓的平均值,單位Pa。

在水泵及水輪機(jī)兩個(gè)工況下,對轉(zhuǎn)輪前后的壓力脈動規(guī)律進(jìn)行時(shí)域圖分析(見下頁圖5)。

圖 5(a)和圖 5(b)為水泵工況下,轉(zhuǎn)輪進(jìn)口截面徑向和周向壓力脈動時(shí)域圖。B1,B2,B3沿輪緣至轉(zhuǎn)輪輪轂分布,此時(shí)水流受轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動影響上吸,因受轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動的影響加劇及導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪間的動靜干涉作用強(qiáng)烈,三點(diǎn)處壓力脈動呈現(xiàn)周期性波動,在一個(gè)周期0.4 s內(nèi)有三個(gè)明顯的波峰波谷。因轉(zhuǎn)輪邊緣處間隙較小,水流變化劇烈,B1處為壓力脈動值最大約為0.05,約為B3近輪轂處的5倍。B2,B4,B5為水流中間周向分布的三點(diǎn),因水流流動比較均勻,三點(diǎn)壓力脈動規(guī)律明顯,幅值相近。圖5(c)和圖5(d)為水泵工況下,轉(zhuǎn)輪出口截面徑向和周向壓力脈動時(shí)域圖。A1,A2,A3沿輪緣至轉(zhuǎn)輪輪轂分布。此時(shí)水流從轉(zhuǎn)輪流出,仍受轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動影響,一個(gè)轉(zhuǎn)輪周期內(nèi)有三個(gè)明顯的波峰波谷,三點(diǎn)壓力脈動較轉(zhuǎn)輪進(jìn)口處明顯增大,邊緣處A1處水流壓力脈動幅值約為轉(zhuǎn)輪進(jìn)口處的2倍。三點(diǎn)壓力脈動幅值從邊緣至輪轂逐漸減小,A1邊緣處壓力脈動幅值約為0.1,約為輪轂邊緣處2倍。

圖 5(e)和圖 5(f)水輪機(jī)工況下,轉(zhuǎn)輪進(jìn)口截面徑向和周向壓力脈動時(shí)域圖。B1,B2,B3沿輪緣至轉(zhuǎn)輪輪轂分布,此時(shí)水流從原出水流道進(jìn)入,三點(diǎn)壓力脈動規(guī)律明顯。因轉(zhuǎn)輪邊緣處及中部水流速度變化劇烈,中心處水流影響較小,反映在A1,A2壓力脈動系數(shù)較大達(dá)0.06,約為A3處壓力脈動系數(shù)為0.02的3倍。徑向方面,水流從流道較平穩(wěn)地進(jìn)入轉(zhuǎn)輪,受轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動影響,B2,B4,B5三點(diǎn)的壓力脈動規(guī)律明顯且壓力脈動幅值接近。圖5(g)和圖5(h)水輪機(jī)工況下,轉(zhuǎn)輪出口截面處徑向和周向壓力脈動時(shí)域圖。水流經(jīng)過轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動流出,徑向方面,水流受轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動影響較大,轉(zhuǎn)輪邊緣處間隙水流變化劇烈,邊緣處測點(diǎn)B1的壓力脈動值進(jìn)一步增大達(dá)0.15,轉(zhuǎn)輪中部點(diǎn)B2壓力脈動系數(shù)值達(dá)0.06,兩點(diǎn)呈現(xiàn)周期性波動,轉(zhuǎn)輪中心B3處壓力脈動規(guī)律不明顯。周向方面,水流較均勻地流出轉(zhuǎn)輪,B2,B4,B5三點(diǎn)受轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動影響,周期性明顯,三點(diǎn)壓力脈動幅值接近約為0.06。

比較水泵及水輪機(jī)兩工況壓力脈動,出轉(zhuǎn)輪截面水流各點(diǎn)壓力脈動較進(jìn)轉(zhuǎn)輪截面壓力脈動值增大,受轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動影響,水流在轉(zhuǎn)輪邊緣處速度變化大,壓力脈動劇烈;受進(jìn)出水流道設(shè)置限制,水輪機(jī)工況下水流的壓力脈動較水泵工況下壓力脈動值偏大。

4.2 壓力脈動頻域圖分析

在水泵及水輪機(jī)兩個(gè)工況下,對轉(zhuǎn)輪前后的壓力脈動規(guī)律進(jìn)行頻域圖分析。

圖 6(a)和圖 6(b)為水泵工況下,轉(zhuǎn)輪進(jìn)口截面徑向和周向壓力脈動頻域圖。B1,B2,B3沿輪緣至轉(zhuǎn)輪輪轂分布,B2,B4,B5三點(diǎn)在水流中間周向分布。從圖中可以看出水流受轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動影響嚴(yán)重,壓力脈動主要分布在低頻區(qū)域,主頻為轉(zhuǎn)頻7.5 Hz。輪緣B1處壓力脈動系數(shù)值最大為0.15,從輪緣至輪轂依次減小。水流受轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動影響較均勻地上吸,B2,B4,B5 壓力脈動系數(shù)幅值接近約為 0.06。圖 6(c)和圖6(d)為水泵工況下,轉(zhuǎn)輪出口截面徑向和周向壓力脈動頻域圖??梢钥闯龈鞅O(jiān)測點(diǎn)較轉(zhuǎn)輪進(jìn)口壓力脈動系數(shù)增加,邊緣處A1的壓力脈動系數(shù)最大達(dá)0.32,周向方面A2.A4.A5三點(diǎn)壓力脈動系數(shù)幅值約為0.16。受轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動影響,壓力脈動主頻仍為轉(zhuǎn)頻 7.5 Hz,次頻為 2.5 Hz。

圖 6(e)和圖 6(f)水輪機(jī)工況下,轉(zhuǎn)輪進(jìn)口截面徑向和周向壓力脈動頻域圖,圖6(g)和圖6(h)為轉(zhuǎn)輪出口截面處徑向和周向壓力脈動頻域圖。水流從原出水流道流入,進(jìn)出口均受轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動影響,壓力脈動主要集中在低頻區(qū)域,主頻為轉(zhuǎn)頻7.5 Hz,次頻為轉(zhuǎn)頻2.5 Hz,在轉(zhuǎn)頻倍數(shù)處也有一定的壓力脈動,并逐漸減小。進(jìn)口截面壓力脈動系數(shù)最大值出現(xiàn)轉(zhuǎn)輪邊緣處A1,值約為0.3,是轉(zhuǎn)輪邊緣A3處的3倍。出口截面壓力脈動系數(shù)最大值出現(xiàn)在轉(zhuǎn)輪邊緣處B1,其值達(dá)0.8。周向方向,水流從轉(zhuǎn)輪較均勻進(jìn)入與流出,兩監(jiān)測面監(jiān)測點(diǎn)的幅值大小接近,出轉(zhuǎn)輪時(shí)各點(diǎn)的壓力脈動系數(shù)幅值較進(jìn)轉(zhuǎn)輪時(shí)增大。

比較水泵及水輪機(jī)工況,受轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動影響強(qiáng)烈,各點(diǎn)的壓力脈動頻率分布在低頻,主頻為轉(zhuǎn)頻,出轉(zhuǎn)輪時(shí)各點(diǎn)壓力脈動幅值較進(jìn)轉(zhuǎn)輪時(shí)壓力脈動幅值增大,水流在轉(zhuǎn)輪間隙處變化劇烈,邊緣處監(jiān)測點(diǎn)壓力脈動幅值較大。

5 結(jié)論

圖5 壓力脈動時(shí)域圖

圖6 壓力脈動頻域圖

通過對南水北調(diào)蘇北某泵站的機(jī)組軸流泵反向發(fā)電工況下的數(shù)值模擬,對機(jī)組反向發(fā)電穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。

通過在導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪前后設(shè)置了徑向與周向監(jiān)測點(diǎn),對軸流泵的內(nèi)部運(yùn)行的穩(wěn)定性進(jìn)行了模擬分析。水輪機(jī)工況下,壓力脈動受轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動頻率影響明顯,壓力脈動主頻為轉(zhuǎn)頻;葉輪出口壓力脈動大于葉輪進(jìn)口處壓力脈動,其壓力脈動幅值約為進(jìn)口處的2倍,壓力脈動相對值從輪轂到輪緣處逐漸增大。比較水泵工況及水輪機(jī)工況下各點(diǎn)的壓力脈動,水輪機(jī)工況下各監(jiān)測點(diǎn)均高于水泵工況下各點(diǎn)壓力脈動幅值,機(jī)組較水泵工況下振動增加,機(jī)組的不穩(wěn)定性增加。

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