劉振龍

(新疆額爾齊斯河投資開發(fā)(集團(tuán))有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引 言

隨著我國(guó)水能資源的開發(fā)程度提升以及光伏、風(fēng)電等新能源的大力發(fā)展，“風(fēng)光水互補(bǔ)運(yùn)行”成為大趨勢(shì)，水電站在大電網(wǎng)中承擔(dān)的調(diào)峰、調(diào)頻和旋轉(zhuǎn)備用待機(jī)任務(wù)更加艱巨，水輪機(jī)組也不可避免頻繁地在部分負(fù)荷、甚至超低部分負(fù)荷的情況下運(yùn)行?！叭?fù)荷范圍運(yùn)行”成為新建水電站和改造水電站的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

水力設(shè)計(jì)作為水輪機(jī)設(shè)計(jì)的核心技術(shù)，從根本上決定著機(jī)組乃至電站的穩(wěn)定運(yùn)行能力。對(duì)于水電站來(lái)說(shuō)，若機(jī)組的過(guò)流部件設(shè)計(jì)不當(dāng)，容易導(dǎo)致運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)水力特性不佳的情況，直接造成過(guò)流部件的破壞失效，同時(shí)影響發(fā)電的效率。所以，對(duì)水輪機(jī)過(guò)流部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善內(nèi)部流場(chǎng)的水力特性、提升機(jī)組的發(fā)電效率，對(duì)于減輕過(guò)流部件的破壞程度、提升機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性以及提高電站的經(jīng)濟(jì)效益都具有良好的價(jià)值。針對(duì)水輪機(jī)內(nèi)部流態(tài)問(wèn)題，史廣泰等證明了在大開度工況下尾水管內(nèi)部出現(xiàn)周期性空化渦帶，其次隨著導(dǎo)葉開度增大，轉(zhuǎn)輪葉片受到的空蝕破壞越嚴(yán)重[1_2]。楊昌明等采用數(shù)值模擬方法對(duì)混流式水輪機(jī)進(jìn)行全流道非定常數(shù)值計(jì)算，并對(duì)活動(dòng)導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪之間相互干涉情況下進(jìn)行了模擬分析[3]。馬強(qiáng)等采用CFD數(shù)值模擬手段對(duì)不同導(dǎo)葉開度工況下長(zhǎng)短葉片混流式水輪機(jī)的壓力脈動(dòng)進(jìn)行了研究[4]。

本文選取混流式水輪機(jī)偏離最優(yōu)工況較遠(yuǎn)的部分負(fù)荷工況，對(duì)水輪機(jī)在最大水頭、最小水頭和額定水頭3種工況下的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪及尾水管部分內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行相應(yīng)的分析。

1 混流式水輪機(jī)及數(shù)值計(jì)算方法

1.1 研究對(duì)象

以某生態(tài)基流電站混流式水輪機(jī)為研究對(duì)象。由于生態(tài)流量泄放要求隨月度進(jìn)行調(diào)節(jié)，水輪機(jī)需長(zhǎng)期運(yùn)行在50%額定出力以下。因此建立相應(yīng)模型，對(duì)超寬負(fù)荷混流式水輪機(jī)水力性能進(jìn)行研究分析(見表1)。

表1 混流式水輪機(jī)基本參數(shù)

基于水輪機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)，通過(guò)三維建模軟件，對(duì)水輪機(jī)進(jìn)行三維建模。轉(zhuǎn)輪直徑D1=1.54 m，轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)Zb=15+15，固定導(dǎo)葉數(shù)Zc=23，活動(dòng)導(dǎo)葉數(shù)Z0=24，導(dǎo)葉相對(duì)高度b0/D1=0.167。

選取偏離最優(yōu)工況較遠(yuǎn)的部分負(fù)荷工況，并包含了運(yùn)行范圍內(nèi)最大、最小水頭，其計(jì)算工況點(diǎn)如下所示(見表2)。

表2 所選工況信息

1.2 計(jì)算分析方法

為了更全面地考慮各過(guò)流部件之間的相互影響，本文包含蝸殼、導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪以及尾水管的流動(dòng)計(jì)算。計(jì)算中采用六面體單元?jiǎng)澐謱?dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪、尾水管的網(wǎng)格，對(duì)于蝸殼和固定導(dǎo)葉則采用四面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。充分考慮計(jì)算精度以及計(jì)算效率的影響，最終確定水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪域總網(wǎng)格數(shù)約500萬(wàn)，均方根殘差收斂到10-4。

采用有限體積方法對(duì)控制方程離散，時(shí)間項(xiàng)離散采用二階全隱式格式，擴(kuò)散項(xiàng)和壓力項(xiàng)采用中心差分格式離散，對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式。壓力和速度方程采用全耦合求解技術(shù)。

本研究在數(shù)值模擬時(shí)采用RNG k_ε湍流模型。相比較于標(biāo)準(zhǔn)k_ε模型來(lái)說(shuō)，RNG k_ε模型對(duì)于旋轉(zhuǎn)模型的計(jì)算結(jié)果更符合實(shí)際情況。RNG k_ε模型是從瞬態(tài)N_S方程中推導(dǎo)出的，使用重整化群方法，對(duì)瞬變流和流線彎曲的影響能作出更好的反應(yīng)。其輸運(yùn)方程為：

式中，C1ε=1.42，C2ε=1.68，Gk表示平均速度梯度引起的湍動(dòng)能的產(chǎn)生；Gb是由浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；YM表示可壓縮湍流中波動(dòng)膨脹對(duì)總耗散率的貢獻(xiàn)；Sk和Sε為用戶自定義的源項(xiàng)。

2 仿真及模型試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)混流式水輪機(jī)模型，對(duì)幾種典型工況進(jìn)行CFD計(jì)算以及模型試驗(yàn)，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的比較分析(見圖1～圖12)。

圖1 轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流線分布

圖2 轉(zhuǎn)輪速度矢量分布

圖3 轉(zhuǎn)輪葉片壓力分布

圖4 轉(zhuǎn)輪內(nèi)部湍動(dòng)能分布

從圖1、圖2中可以看出，在工況點(diǎn)1中，由于工作原型工作水頭較高，各流面翼型頭部的入流為正沖角，在中間流面處，葉片背面不存在明顯的回流、渦流現(xiàn)象，轉(zhuǎn)輪內(nèi)部的流態(tài)比較合理，但在尾部的流動(dòng)中存在著較小的渦量。圖3為轉(zhuǎn)輪中間流面上的總壓分布，其中總壓降主要集中在翼型的頭部及中部，而在葉片的出水邊處基本上沒(méi)有總壓降；可見能量轉(zhuǎn)換在沿流線方向上的分布不均勻，使得轉(zhuǎn)輪的效率存在一定程度的降低。進(jìn)一步分析混流式水輪機(jī)部分負(fù)荷工況轉(zhuǎn)輪中截面流場(chǎng)的穩(wěn)定性，對(duì)相應(yīng)工況典型轉(zhuǎn)輪中截面的湍動(dòng)能進(jìn)行分析；由圖4可知，轉(zhuǎn)輪中截面內(nèi)較大湍動(dòng)能主要分布于葉片前緣、中部吸力側(cè)區(qū)域和葉片尾跡區(qū)域。這是由于水流入流角度偏大，在葉片背部以及尾部區(qū)域的湍動(dòng)能都有所提高。

圖5 轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流線分布

圖6 轉(zhuǎn)輪速度矢量分布

圖7 轉(zhuǎn)輪葉片壓力分布

圖8 轉(zhuǎn)輪內(nèi)部湍動(dòng)能分布

在工況點(diǎn)2中，即在額定水頭工況下，中間流面翼型的頭部沖擊明顯改善，水流平順進(jìn)入轉(zhuǎn)輪之中，未發(fā)生明顯的撞擊以及脫流現(xiàn)象，在此附近區(qū)域轉(zhuǎn)輪應(yīng)具有較高的效率。相較于工況點(diǎn)1，此工況下沿流線的總壓降分布更為均勻，其工作效率相應(yīng)提升。由圖8可知，轉(zhuǎn)輪中葉片各個(gè)區(qū)域的湍動(dòng)能均有明顯降低，截面內(nèi)較大湍動(dòng)能主要分布于中部及葉片尾跡區(qū)域。

圖9 轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流線分布

圖10 轉(zhuǎn)輪速度矢量分布

圖11 轉(zhuǎn)輪葉片壓力分布

在工況點(diǎn)3中，工作水頭降低，在中間流面位置，入流角為負(fù)沖角，易引起工作面的脫流，使在相應(yīng)工況下轉(zhuǎn)輪的入流狀態(tài)受到影響。從圖9、圖10中可以看出，水流質(zhì)點(diǎn)牽連速度的分量增加，部分水流對(duì)下一個(gè)葉片的受壓面產(chǎn)生沖擊，使得水流葉片兩側(cè)均出現(xiàn)了一定程度的渦量，對(duì)轉(zhuǎn)輪的效率產(chǎn)生影響。對(duì)中間流面的壓力進(jìn)行分析，可以看出葉片的正背面壓力相近，未起到能量轉(zhuǎn)換的作用，在此工況下翼型的效率很低。同時(shí)，由于部分水流對(duì)下一個(gè)葉片的沖擊，在轉(zhuǎn)輪葉片中部區(qū)域吸力側(cè)以及尾跡區(qū)域，形成了一定程度的湍動(dòng)能集中。

圖12 轉(zhuǎn)輪內(nèi)部湍動(dòng)能分布

對(duì)該水輪機(jī)進(jìn)行模型試驗(yàn)，并在各水頭對(duì)應(yīng)空化系數(shù)條件下，進(jìn)行了葉道渦流動(dòng)狀態(tài)觀測(cè)。各計(jì)算工況點(diǎn)于模型試驗(yàn)中未出現(xiàn)可見葉道渦。額定水頭工況水輪機(jī)效率較高，最小水頭工況效率最低，與計(jì)算規(guī)律基本吻合(見圖13)。

圖13 水輪機(jī)模型綜合特性曲線

圖13中，Q′=Q11/Q11o，n′=n11/n11o，η′=η/ηo；Q11、n11、η分別為單位流量、單位轉(zhuǎn)速及效率，Q11o、n11o、ηo分別為最優(yōu)單位流量、最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速以及最優(yōu)效率。

3 結(jié) 論

通過(guò)CFD分析部分負(fù)荷工況水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)可以看出，在偏離最優(yōu)工況較遠(yuǎn)的部分負(fù)荷工況，轉(zhuǎn)輪來(lái)流隨水頭變化在進(jìn)口形成不同的沖角，葉道間湍動(dòng)能增加，葉片正背面壓力差減小，導(dǎo)致水力比能向機(jī)械比能的轉(zhuǎn)換效率降低。流動(dòng)分析可以表征轉(zhuǎn)輪葉道間存在渦量，但結(jié)合模型試驗(yàn)結(jié)果可知，相應(yīng)工況下未生成可見葉道渦。對(duì)可見葉道渦的進(jìn)一步分析，需要結(jié)合水輪機(jī)設(shè)計(jì)空化條件，開展定量研究工作。