超低水頭豎井貫流式水輪機(jī)模型試驗(yàn)

楊春霞，鄭 源，李玲玉，劉夢軒

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098;2.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 210098)

為減少高壩大庫的淹沒損失與移民搬遷費(fèi)用，近年來國內(nèi)外對低水頭水電站的開發(fā)建設(shè)日益關(guān)注。我國低水頭水力資源十分豐富，尤其是江河中下游的經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)更是如此。貫流式水輪發(fā)電機(jī)組因其轉(zhuǎn)輪效率高、過流量大、建設(shè)周期短、總體投資省等優(yōu)點(diǎn)，成為開發(fā)利用低水頭、大流量水力資源和潮汐能源的良好機(jī)型［1-2］。我國近20 多年來對貫流式水輪發(fā)電機(jī)組的開發(fā)表明，燈泡貫流式水輪機(jī)適用于水頭在5～25 m 之間的電站，對于超低水頭(小頭小于或等于3 m)的電站，采用豎井貫流式水輪機(jī)代替燈泡貫流式水輪機(jī)將是未來的發(fā)展趨勢［3］。因豎井頂部是敞開的，豎井貫流式水輪發(fā)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)、齒輪增速器等大部件可以直接從豎井坑吊進(jìn)吊出，便于安裝和維護(hù)［4］。然而目前我國對豎井貫流式發(fā)電機(jī)組的流道設(shè)計(jì)、機(jī)組總體的結(jié)構(gòu)形式、增速用齒輪箱及雙調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的受油器布置等關(guān)鍵技術(shù)問題缺乏深入的研究，致使這種結(jié)構(gòu)簡單、水力性能優(yōu)良、造價(jià)低廉的豎井貫流式機(jī)組未能得到推廣使用［5-6］。

本文基于河海大學(xué)水力機(jī)械多功能試驗(yàn)臺對一種額定水頭為2.10 m的超低水頭豎井貫流式水輪機(jī)進(jìn)行能量特性試驗(yàn)和空化特性試驗(yàn)，得到了不同工況下模型水輪機(jī)的流量、水頭和扭矩等數(shù)據(jù)，并據(jù)此計(jì)算出水輪機(jī)的效率和出力。將試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較，以驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算的可靠性。

1 水輪機(jī)參數(shù)及試驗(yàn)儀器

1.1 機(jī)組參數(shù)

原型水輪機(jī)直徑為1.75m，葉片數(shù)為3，導(dǎo)葉數(shù)為15。原型水輪機(jī)的主要工作參數(shù)為:額定水頭2.10 m，最大水頭3.30 m，最小水頭0.80 m，平均水頭2.10 m，額定流量10 m3/s。

將原型水輪機(jī)按比例縮小至直徑為0.35 m的GD-WS-35 型水輪機(jī)模型，其主要工作參數(shù)為:額定水頭2.10 m，最大水頭2.80 m，最小水頭0.30 m，額定流量0.40 m3/s，額定轉(zhuǎn)速684.7 r/min。

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)依托河海大學(xué)水力機(jī)械多功能試驗(yàn)臺完成。各測量儀器選擇如下:①水頭選用重慶橫河川儀有限公司生產(chǎn)的EJA110A 壓差傳感器測量，精度為±0.1%。②流量選用上海光華愛爾美特儀器有限公司生產(chǎn)的RFM4110-500 電磁流量計(jì)測量，精度為±0.2%。③扭矩與轉(zhuǎn)速選用湖南長沙湘儀動力測試儀器有限公司生產(chǎn)的JCZ-200 扭矩儀測量，精度為±0.1%。④真空度采用重慶橫河川儀有限公司生產(chǎn)的 EJA430A 壓力變送器測量，精度為±0.075%。⑤大氣壓采用0.5 級空盒氣壓計(jì)測定。⑥水溫采用水銀溫度計(jì)測定。

2 模型試驗(yàn)方法和內(nèi)容

2.1 能量特性試驗(yàn)

水輪機(jī)能量特性模型試驗(yàn)內(nèi)容包括:①保持GD-WS-35 型水輪機(jī)在轉(zhuǎn)速為684.7 r/min 時(shí)，測試不同葉片安放角(φ=10°，15°，20°，23°，30°，35°)下水輪機(jī)的流量及出力變化;②在每個(gè)固定的水輪機(jī)葉片安放角下，測試不同導(dǎo)葉開度(α=35°，45°，55°，65°，75°，85°)時(shí)水輪機(jī)的流量及出力變化;③在保持葉片安放角和導(dǎo)葉開度不變的情況下，在0.7～3.1 m水頭范圍內(nèi)測量水輪機(jī)的流量及出力變化;④計(jì)算每種試驗(yàn)工況下水輪機(jī)單位轉(zhuǎn)速n11、單位流量Q11和效率η;⑤繪制水輪機(jī)模型綜合特性曲線。

對每個(gè)葉片安放角，采用等水頭變轉(zhuǎn)速的方法進(jìn)行模型試驗(yàn)，按原、模型斯特勞哈爾值相等的原則進(jìn)行試驗(yàn)研究。

水輪機(jī)單位轉(zhuǎn)速、單位流量和效率分別為

式中:np，nm分別為原、模型水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min;D1p，D1m分別為原、模型水輪機(jī)的直徑，m;Qp，Qm分別為原、模型水輪機(jī)的流量，m3/s;Hp，Hm分別為原、模型水輪機(jī)的水頭，m;Pm為模型水輪機(jī)輸出軸功率，W;P0為空載功率，W;ρ為密度，kg/m3;g為重力加速度，m/s2。

真機(jī)水輪機(jī)的效率根據(jù)模型試驗(yàn)對應(yīng)的效率換算確定，采用IEC609951991《考慮比尺效應(yīng)的水力機(jī)械模型驗(yàn)收試驗(yàn)確定其原型性能》中規(guī)定的兩步法進(jìn)行效率換算。

2.2 空化特性試驗(yàn)

在不同的葉片安放角和不同的導(dǎo)葉開度下進(jìn)行空化特性試驗(yàn)，試驗(yàn)保持水頭穩(wěn)定(水頭分別為1.0 m，1.6 m，2.1 m，2.7 m)，通過系統(tǒng)回路內(nèi)抽真空的方法逐步減少有效空化余量，將效率下降1%的空化系數(shù)定為臨界空化系數(shù)［7］。

一般采用能量法進(jìn)行模型水輪機(jī)空化特性試驗(yàn)，首先確定某一工況，在能量特性穩(wěn)定的情況下用真空泵不斷改變尾水箱的真空度，即改變水輪機(jī)的吸出高度，測出不同吸出高度時(shí)模型水輪機(jī)的能量參數(shù)，并按式(4)計(jì)算模型水輪機(jī)的臨界空化系數(shù)σ:

在實(shí)際應(yīng)用中，常用式(5)計(jì)算水輪機(jī)的吸出高度:

式中:?為水輪機(jī)安裝位置的海拔高度，m;Kσ為水輪機(jī)的空化安全系數(shù)，對于轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)，取Kσ=1.1;σm為模型的空化系數(shù);H為水輪機(jī)水頭，m。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 能量特性試驗(yàn)結(jié)果與分析

表1 給出了葉片安放角為23°，水輪機(jī)水頭為2.10 m條件下，不同導(dǎo)葉開度時(shí)水輪機(jī)模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)和對應(yīng)的水輪機(jī)原型數(shù)據(jù)。由表1可見:葉片安放角為23°，額定水頭為2.10 m條件下，導(dǎo)葉開度為55°時(shí)原、模型水輪機(jī)的效率最高，此時(shí)模型水輪機(jī)流量為0.358 m3/s，對應(yīng)原型流量為8.94 m3/s，比額定流量10 m3/s 小很多;而當(dāng)導(dǎo)葉開度為65°時(shí)，原、模型效率雖然比導(dǎo)葉開度為55°時(shí)的效率略有下降，但其模型流量為0.398 m3/s，對應(yīng)原型流量為9.96 m3/s，非常接近額定流量10m3/s，同時(shí)出力也比導(dǎo)葉開度為55°時(shí)的出力增大，故65°為導(dǎo)葉較優(yōu)開度。

表1 φ=23°，H=2.10 m 時(shí)水輪機(jī)模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)和對應(yīng)的水輪機(jī)原型數(shù)據(jù)

圖1為葉片安放角為23°時(shí)，根據(jù)物理模型試驗(yàn)結(jié)果繪制的水輪機(jī)模型和原型綜合特性曲線。由圖1可見，豎井貫流式水輪機(jī)的高效率區(qū)集中于導(dǎo)葉開度55°～65°的區(qū)域，可為其他豎井貫流式水輪機(jī)的開發(fā)利用提供參考。

圖1 φ=23°時(shí)水輪機(jī)模型和原型綜合特性曲線

采用CFD 技術(shù)對豎井貫流式水輪機(jī)全流道三維定常不可壓湍流流場進(jìn)行數(shù)值模擬。計(jì)算區(qū)域?yàn)檫M(jìn)水流道、導(dǎo)葉段、轉(zhuǎn)輪室和出水流道。網(wǎng)格采用適應(yīng)性強(qiáng)的四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。采用壓力進(jìn)口和壓力出口邊界條件。速度項(xiàng)、湍動能項(xiàng)和湍動能黏度系數(shù)項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散。速度和壓力方程用SIMPLEC 算法耦合［8］。在固壁區(qū)采用無滑移邊界條件，在近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)［9-10］。表2為葉片安放角為23°，水頭為2.10 m 時(shí)水輪機(jī)原型的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果。

表2 φ=23°，H=2.10 m 時(shí)水輪機(jī)原型數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

將表1 中水輪機(jī)模型試驗(yàn)結(jié)果轉(zhuǎn)化成水輪機(jī)原型的數(shù)據(jù)，與表2 中水輪機(jī)原型的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果對比可發(fā)現(xiàn)，在導(dǎo)葉開度為65°，75°，85°時(shí)，數(shù)值模擬計(jì)算的效率和出力偏高;在導(dǎo)葉開度為45°，55°時(shí)，數(shù)值模擬計(jì)算的效率和出力偏低。數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與物理模型試驗(yàn)結(jié)果基本一致，效率誤差范圍為±3%。這主要是因?yàn)樵跀?shù)值計(jì)算中，由于網(wǎng)格的質(zhì)量、計(jì)算模型的選擇和參數(shù)設(shè)置等問題，會產(chǎn)生一定的誤差。另外，在水輪機(jī)模型制作過程中，由于導(dǎo)葉內(nèi)緣尺寸過小不易加工，對其內(nèi)緣進(jìn)行了適當(dāng)?shù)募雍裉幚?。故物理模型結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果略有差異，但基本一致，保證了超低水頭豎井貫流式水輪機(jī)性能預(yù)測的可靠性。

3.2 空化特性試驗(yàn)結(jié)果與分析

超低水頭豎井貫流式水輪機(jī)在大角度和大流量區(qū)域較易產(chǎn)生空化空蝕，在葉片安放角為23°，導(dǎo)葉開度分別為55°，65°，75°時(shí)進(jìn)行模型水輪機(jī)空化特性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。根據(jù)空化試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以求得各種工況下的臨界空化系數(shù)和吸出高度。

表3 φ=23°時(shí)水輪機(jī)空化特性試驗(yàn)結(jié)果

首先必須保證尾水管出口滿足淹沒深度的要求，在這一前提條件下，再用空化性能來校核豎井貫流式水輪機(jī)的安裝高程。由表3可見，當(dāng)葉片安放角為23°，導(dǎo)葉開度為65°時(shí)，在水頭為2.10 m 情況下，臨界空化系數(shù)為3.53，吸出高度為1.85 m。根據(jù)相關(guān)資料查得該水輪機(jī)的安裝高程為3 m，最小尾水位高程為5 m，吸出高度為－2 m，小于1.85 m，所以水輪機(jī)空化性能良好，能夠滿足電站的可靠運(yùn)行要求。

4 結(jié) 論

a.當(dāng)葉片安放角為23°，導(dǎo)葉開度為65°時(shí)，在額定水頭2.10 m條件下，模型流量為0.398 m3/s，對應(yīng)原型流量為9.96 m3/s，模型裝置的效率為83.34%，換算到原型裝置的效率為85.14%，出力為174.7kW?？芍啓C(jī)出力、效率、流量等均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

b.當(dāng)葉片安放角為23°，導(dǎo)葉開度為65°時(shí)，在額定水頭2.10 m條件下，臨界空化系數(shù)為3.53，吸出高度為1.85 m?？芍啓C(jī)空化性能良好，能夠保證電站的可靠運(yùn)行。

c.數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與物理模型試驗(yàn)結(jié)果基本一致，效率誤差范圍為±3%，從而驗(yàn)證了數(shù)值模擬計(jì)算的可靠性。

［1］張軍智，段宏江，田樹棠.超低水頭水輪發(fā)電機(jī)組優(yōu)化選擇［J］.西北水電，2006(4):77-79.

［2］錢昌燕，孫媛媛.貫流式機(jī)組的類型及東電大型豎井貫流式機(jī)組的開發(fā)［J］.東方機(jī)電，2005(1):1-12.

［3］游贊培，楊類琪.燈泡貫流式水電站［M］.北京:中國水利水電出版社，2009:2-3.

［4］房玉敏，宋桂玲，張清頓.豎井貫流式機(jī)組的流道設(shè)計(jì)及選型優(yōu)化探討［J］.大電機(jī)技術(shù)，2009(1):49-52.

［5］曾明富，孫媛媛，程海.小龍門大型豎井貫流式水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［C］//第十六次中國水電設(shè)備學(xué)術(shù)討論會議文集.哈爾濱:黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社，2007:363-369.

［6］林其文.豎井貫流式水輪機(jī)組的設(shè)計(jì)［J］.中國制造業(yè)信息化，2011，40(17):81-83.

［7］鄭源，鞠小明，程云山.水輪機(jī)［M］.北京:中國水利水電出版社，2007:64-68.

［8］馮衛(wèi)民，宋立，左磊，等.軸流泵裝置三維非定常湍流流場的數(shù)值模擬［J］.排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，28(6):531-536.

［9］SAEED R A，GALYBIN A N，POPOV V.Modeling of flow induced stresses in a Francis turbine runner ［J］.Advances in Engineering Software，2010，41:1245-1255.

［10］XIAO Ruofu，WANG Zhengwei，LUO Yongyao.Dynamic stresses in a Francis turbine runner based on fluidstructure interaction analysis［J］.Tsinghua Science and Technology，2008，25(2):587-592.