陸 力,潘羅平,彭忠年,徐洪泉,孟曉超,高忠信
(中國水利水電科學研究院 機電所,北京 100038)
水力機械模型試驗是水力機械研究不可缺少的重要組成部分,1950年代末至1980年代初,世界上一些工業(yè)較發(fā)達國家相繼興建了水力機械模型試驗臺,配置了自動數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)、高精度測量儀表,使模型試驗的精度和試驗周期大為提高,推進了模型試驗新技術的發(fā)展,對水電建設和裝備制造業(yè)的發(fā)展發(fā)揮了重要作用[1]。國內(nèi)在1960年代也開始興建水力機械模型試驗臺,后經(jīng)大規(guī)模重建,1980年代末,中國水利水電科學研究院以下簡稱(中國水科院)、哈爾濱大電機研究所、東方電機廠、富春江水工機械廠相繼建成了當時國際先進水平的水力機械模型試驗臺,開發(fā)了一批性能優(yōu)良的水力模型,設計制造了巖灘、天生橋、漫灣、銅街子等大型機組,并對三峽巨型機組的設計制造開展了大量試驗研究和論證,水輪機空蝕磨損、振動問題等世界性難題也取得了較大進展。
進入21世紀后,隨著計算機技術的快速發(fā)展,水力計算理論和計算方法有了迅速發(fā)展,水力機械的許多問題也已有可能直接通過計算得到解決,但要全面掌握水力機械的性能、設計制造更令人滿意的水力機械,還需要通過大量的能準確預測原型機組性能的模型試驗才能做到。另外,隨著現(xiàn)代測試技術的發(fā)展,先進測試技術不斷在模型試驗中得到應用,模型試驗臺的功能不斷拓寬,進一步推動了水力計算理論和計算方法的完善和發(fā)展。
中國水科院結合水利部“高精度水力機械試驗設備及測控系統(tǒng)”縱向任務,開展了“水力機械研發(fā)平臺”項目研究,建成了模型試驗和CFD數(shù)值計算有效結合的水力機械研發(fā)平臺,通過CFD數(shù)值模擬和性能預估,優(yōu)化用于模型試驗的水力模型,極大提高了模型試驗的效率,模型測試結果應用于CFD數(shù)值模擬和自主軟件開發(fā),用模型試驗驗證和優(yōu)化設計思路,進一步促進了水力機械計算和設計方法的完善和發(fā)展。
水力機械研發(fā)平臺包括硬件平臺和軟件平臺兩部分,如圖1所示。
圖1 水力機械研發(fā)平臺結構
在水力機械模型試驗臺的開發(fā)設計方案中,提出了動力強、功能全、精度高、有特色的總體技術要求,以渾水試驗、磨損試驗和空化觀測技術為特色,在測試方法和測試設備更新中尋求技術創(chuàng)新和突破。
2.1 硬件平臺清水測試系統(tǒng)最高試驗水頭150 m,最大過流量2.2 m3/s,效率測量不確定度小于±0.2%。自主開發(fā)了具有軸向和徑向兩種油腔的臥式靜壓軸承,效率測試不確定度大幅度降低,并能同時測量水力機械模型的軸向水推力和徑向力;自主研發(fā)最大量程150 t的靜態(tài)水流量標準裝置,最大擴展不確定度為0.032%;測試系統(tǒng)配置了高精度測試設備和原位標定系統(tǒng),實測效率測量不確定度為0.16%。試驗臺測試功能齊全,具備水力機械能量性能試驗、壓力脈動試驗、軸向水推力和徑向力試驗、導葉水力矩測試、槳葉水力矩測試、補氣試驗、空化性能試驗及空化觀測、飛逸特性試驗、蝸殼壓差試驗、轉(zhuǎn)輪內(nèi)部壓力場及動應力測試、內(nèi)部流速場測試等超強測試功能。近十年以來,在該臺進行的同臺對比試驗及模型驗收的水電站總出力已超過52 063 MW,試驗能力處于國際領先水平。國內(nèi)外主要高水頭試驗臺試驗能力對比見表1。
表1 國內(nèi)外主要高水頭試驗臺試驗能力對比
渾水測試系統(tǒng)最高試驗水頭60 m,最大試驗流量1.0 m3/s,渾水條件下效率測量不確定度小于±0.4%。設計發(fā)明了薄膜隔沙裝置和濾網(wǎng)式阻沙裝置、通過渾水密度測量泥沙濃度的方法兩項原創(chuàng)型測試方法及設備,提高了渾水壓力測量和泥沙濃度測量的精度。自主開發(fā)了“易損涂層法”,實現(xiàn)了磨損部位和強度的快速測試。測試系統(tǒng)除具有清水測試系統(tǒng)全部功能外,還具備在含沙水流條件下的水力機械外特性測試、空化初生測試、模型磨損試驗等試驗功能。目前國外無渾水測試系統(tǒng),水科院渾水測試系統(tǒng)在試驗能力、精度和功能等方面均處于國際領先水平。渾水測試系統(tǒng)與國內(nèi)外試驗臺的參數(shù)對比見表2。
表2 渾水測試系統(tǒng)與國內(nèi)外試驗臺的參數(shù)對比(國外無渾水測試系統(tǒng))
磨蝕測試系統(tǒng)包括旋轉(zhuǎn)圓盤和旋轉(zhuǎn)噴射兩類試驗裝置,最大試驗流速90 m/s,含沙濃度0~100 kg/m3,開發(fā)了水力機械模型磨損試驗方法,自主原創(chuàng)研制了旋轉(zhuǎn)圓盤磨蝕試驗裝置,試驗功能包括磨損試驗、空蝕試驗和磨蝕試驗等。
2.2 軟件平臺軟件平臺主要包括水力機械設計開發(fā)軟件和模型測試軟件,堅持自主開發(fā)為主、商用軟件為輔的原則,以固液兩相流、氣液兩相流為特色和重點,通過模型流速場、壓力場測試確定水力計算邊界條件,利用模型性能及其它試驗驗證設計結果,優(yōu)化水力設計并完善CFD軟件。
中國水科院是國內(nèi)較早開展水力機械CFD 軟件開發(fā)的研究單位,自主開發(fā)的三維固液兩相流湍流模型、數(shù)值模擬模型和磨損破壞預估模型,可模擬高含沙量的固液兩相流問題,是水力機械優(yōu)化設計的有力工具[2]。用該模型計算了劉家峽模型水輪機轉(zhuǎn)輪內(nèi)部的三維泥沙固液兩相湍流流動,表明該模型能夠很好的模擬不同工況水輪機轉(zhuǎn)輪的磨損情況。建立了基于貼體坐標和有限體積法的氣液兩相湍流兩流體計算模型,氣泡體積率分布的計算結果與實測結果吻合良好。建立了基于空化模型的尾水管渦帶數(shù)值模擬模型,通過三維湍流數(shù)值模擬技術,對典型工況的尾水管內(nèi)部氣液兩相湍流進行了數(shù)值模擬計算,為研究氣液兩相尾水管渦帶流動的產(chǎn)生發(fā)展機理提供了新的手段。
水力機械研發(fā)平臺主要應用于高性能水力機械研發(fā)、水電站運行問題研究及水力機械性能驗證。在高性能水輪機、水泵和水泵水輪機開發(fā)中,充分利用水力設計和模型試驗兩個平臺,先利用CFD軟件進行優(yōu)化設計和性能預估,選擇2~3個轉(zhuǎn)輪進行模型測試,再通過對性能優(yōu)秀轉(zhuǎn)輪的空化觀測等優(yōu)化定型。在科學研究中,可根據(jù)項目特點分別采用兩個平臺進行科學分析和理論探索,也可聯(lián)合應用兩個平臺進行相互的驗證和更深入細致的研究。
水力機械研發(fā)平臺在水力機械模型磨損模擬技術、渾水測量技術、流量計和壓力傳感器原位標定、水力機械兩相流數(shù)值模擬模型及磨損預估等方面具有重大創(chuàng)新。
3.1 水力機械模型磨損模擬技術為實現(xiàn)在實驗室內(nèi)利用模型機組進行水力機械磨損特性的研究,自主開發(fā)了“易損涂層法”這一原創(chuàng)型水力機械模型磨損試驗方法。其主要內(nèi)容為:研制了可均勻噴涂于轉(zhuǎn)輪和導葉等試驗部件過流表面的3種不同顏色的涂料,3層總厚度可控制在0.2 mm以內(nèi)。將涂有涂層的模型機組在渾水條件下運行一定的時間,可顯示涂敷部位的磨損及空蝕破壞的部位和相對強度,結果用作水力機械的磨損特性研究和相對抗磨蝕強度對比。涂層具有穩(wěn)定的抗水流沖刷能力,能在較短的試驗時間內(nèi)顯示磨損及空蝕破壞的部位和相對強度,重復性及穩(wěn)定性好,易于清洗及能反復試驗,涂層配料無毒等優(yōu)點。為達到功能要求,制定了涂層厚度要均勻、涂層成份應均一、涂層表面光滑平整等實施工藝。
“易損涂層法”已被采納編入水利行業(yè)標準《水輪機模型渾水驗收試驗規(guī)程》(SL142-2008)和《水泵模型渾水驗收試驗規(guī)程》(SL141-2006)。
3.2 渾水壓力和泥沙濃度測試技術設計發(fā)明了薄膜式隔沙裝置和濾網(wǎng)式阻沙裝置兩種原創(chuàng)性方法及設備,可避免渾水中的泥沙進入測量靜壓的管路,防止泥沙漸進的飄散和沉積改變測管內(nèi)渾水密度,避免給渾水壓力測量帶來很大的不確定性(個別可超過4%)。薄膜隔沙系統(tǒng)是通過特殊設計的柔韌薄膜來隔開渾水和清水,并通過對薄膜位置和狀態(tài)的調(diào)整使壓力傳遞誤差降低到傳感器測量誤差以下。濾網(wǎng)阻沙裝置則通過兩側(cè)濾網(wǎng)和特殊設計的和泥沙漂移方向相反的沖清水排沙方式,保證渾水和泥沙不進入測壓管路。采用這兩種裝置后,只有清水能進入壓力或壓差傳感器,可使渾水壓力測量的不確定度降低到0.1%以下。
在濃度測量中,提出了在測試準備階段兌烘干泥沙進入已知體積的清水,測量確定泥沙密度,而在每個濃度的測試過程中,不再測量泥沙密度,只測量渾水密度和清水密度,用這3個密度計算獲得泥沙濃度。該方法和先量渾水體積、后泥沙過濾、再烘干稱泥沙重量的“過濾稱重法”相比,可不必頻繁的過濾,烘干也只需在準備階段進行一次,勞動強度低,精度高,還可即測即得。
3.3 自主研制高靈敏度臥式靜壓軸承在水力機械模型力矩測量中,靜壓軸承技術是提高水力矩測試精度的關鍵。在本項目建設中,不但成功研制了立式發(fā)電機靜壓軸承和水輪機靜壓軸承,還自主研制成功適用于燈泡貫流式水輪機模型的臥式靜壓軸承。該臥式靜壓軸程最大特點是在固定部分和擺動部分之間設計了垂直面和圓柱面兩種油腔,和國外許多大公司采用的圓錐面油腔相比安裝和調(diào)試更加容易和方便,并可在兩個垂直油腔處安裝差壓傳感器測量軸向水推力,在圓柱面油腔處安裝壓力傳感器測量徑向力;所有測量和調(diào)整靜壓軸承壓力、間隙等參量的儀表在軸承調(diào)試好后均封閉在燈泡體內(nèi)部,既不易損壞,又美觀和便于維護;靜壓軸承的摩擦力非常小,水力矩測試誤差大幅度減小。
3.4 自主開發(fā)的磨損試驗裝置及技術自主開發(fā)設計的圓盤式繞流磨損試驗裝置和旋轉(zhuǎn)噴射磨損試驗裝置,是研究水力機械泥沙磨損規(guī)律、優(yōu)選抗磨材料、預估材料抗磨性能的特殊試驗裝置,在國內(nèi)外均屬首創(chuàng),發(fā)揮了無可替代的作用。圓盤式繞流磨損試驗裝置可用于模擬平面繞流磨損,既可用來進行材料的磨損性能預估,也可用于不同材料的抗平面磨損性能比較,進行材料優(yōu)選。而旋轉(zhuǎn)噴射磨損試驗裝置可以模擬沖擊式磨損,可用于定性分析材料的抗沖擊磨損能力,通過多種不同材料的對照比較,獲得試驗材料相對于基準材料的抗磨倍數(shù),以比較材料的抗磨性能優(yōu)劣。
3.5 流量計和壓力傳感器原位標定系統(tǒng)流量標定系統(tǒng)采用質(zhì)量法,其主要設備是量程為150 t 的稱重桶,測量精度為0.038%;稱重桶采用分散充水的消能方式,可加快充水后稱重桶穩(wěn)定速度,使流量標定速度提高到體積法4~5 倍以上;3 個試驗臺均可實現(xiàn)雙向流量標定,且各關鍵位置均可用快速切換的封板代替閥門,以避免漏水影響標定精度。該稱重桶采用2.5 t小稱重桶進行原位標定,而該小桶又采用標準砝碼進行原位標定。通過原位標定,所用電磁流量計的測量不確定度可降低到0.11%以下,而標定流量可達到1.5 m3/s,無論精度還是能力都達到國際領先水平,見圖2所示。
圖2 流量計原位標定系統(tǒng)
在軸流式、貫流式水輪機模型試驗中,其試驗水頭比較低,通常都在10 m以下,貫流式水輪機甚至會低于5 m,如采用滿量程為1 MPa的壓力標定裝置進行標定,盡管其滿量程不確定度只有0.025%,但應用到5 m水頭測量時,僅標定設備帶來的誤差就達到0.5%。為提高低水頭傳感器的標定精度,在市場上購不到低壓力標定設備的情況下,在1 MPa的壓力標定裝置上外加(掛)0.1 MPa壓力傳感器,其滿量程不確定度是0.025%,送計量院標定后用于低水頭壓力傳感器的原位標定,可使5 m 水頭的標定誤差降低到0.05%,使貫流式水輪機的模型效率測量不確定度降低到0.2%以下。
3.6 自主開發(fā)水力機械性能分析和預估軟件自主開發(fā)的全三維黏性湍流數(shù)值模擬程序可對水輪機轉(zhuǎn)輪、水泵葉輪內(nèi)部三維流動進行數(shù)值模擬,與實驗結果的對比表明該軟件具有比較高的精度。根據(jù)數(shù)值模擬壓力和流速分布結果對葉形進行調(diào)整,以達到優(yōu)化其水力性能之目的。水輪機效率由于CFD技術的應用得到提高,該成果在水力機械的優(yōu)化設計中CFD技術發(fā)揮了重要作用。
圖3和圖4是應用該軟件對某混流式水輪機和某貫流泵轉(zhuǎn)輪進行全三維黏性湍流數(shù)值模擬,根據(jù)壓力和流速分布結果調(diào)整轉(zhuǎn)輪葉形,從而完成轉(zhuǎn)輪的優(yōu)化設計,對改善水力機械模型的內(nèi)部流態(tài)、提高各項性能起到關鍵作用。圖5為應用該軟件對某工程大型離心水泵進行內(nèi)部非穩(wěn)定流數(shù)值模擬,并將無葉區(qū)壓力脈動數(shù)值模擬結果與試驗結果進行比較,兩者吻合良好。
圖3 混流式水輪機轉(zhuǎn)輪內(nèi)流場
圖4 貫流泵轉(zhuǎn)輪內(nèi)流場
圖5 某工程大型離心水泵無葉區(qū)壓力脈動試驗與數(shù)值模擬結果對比
3.7 水力機械模型渾水測試系統(tǒng)1988年首次建成世界上第一座水力機械渾水模型試驗臺,2004年改建。該渾水模型試驗臺可完成不同含沙濃度下的能量特性、空化特性、壓力脈動特性、飛逸轉(zhuǎn)速特性、力特性等水力機械性能試驗,超聲波渾水初生空化檢測,流跡和模型模擬磨損試驗,清、渾水試驗的相似理論和比尺效應等試驗研究,水力機械的磨損部位以及相對磨蝕強度的試驗研究,含沙水流中水力機械磨損規(guī)律、水力參數(shù)優(yōu)選、水力機械壽命與可靠性分析、磨損與空蝕聯(lián)合破壞以及有關防護措施等試驗研究。先后完成了劉家峽水電站水輪機增容改造渾水試驗研究、萬家寨引黃工程用泵、小浪底水輪機、三門峽水輪機改造、三峽工程水輪機等重大工程的研究和渾水試驗任務,取得了一批重要成果。
3.8 建立的水力機械兩相流問題數(shù)值模擬模型建立了三維兩流體固液兩相流湍流模型、數(shù)值模擬模型和磨損破壞預估模型,可模擬高含沙量的固液兩相流問題。為了驗證模型的可行性,用該模型計算了劉家峽HL001模型水輪機轉(zhuǎn)輪內(nèi)部的三維泥沙固液兩相湍流流動,數(shù)值計算了該轉(zhuǎn)輪的泥沙磨損強度并與磨損試驗結果進行了比較,結果表明該模型能夠模擬不同工況水輪機轉(zhuǎn)輪的磨損情況,見圖6。
圖6 劉家峽電站水輪機磨損位置數(shù)值模擬結果與試驗結果的對比
建立了基于貼體坐標和有限體積法的氣液兩相湍流兩流體計算模型,連續(xù)相采用了考慮分散相(氣泡)分布影響的κ-ε兩方程湍流模型,分散相采用代數(shù)湍流模型。在兩種來流條件下,對有實測數(shù)據(jù)的180°圓形彎管內(nèi)部三維兩相湍流進行了模擬計算,計算中將氣泡按大小分為兩組,加大了計算的復雜性,但能更好地反映不同大小氣泡的特性,提高計算精度。通過數(shù)值模擬獲得了彎管內(nèi)部三維兩相湍流的壓力、速度和氣泡體積率分布等數(shù)據(jù),計算結果合理。氣泡體積率分布的計算結果與實測結果比較表明:計算結果與實測結果吻合良好。
建立了基于空化模型的尾水管渦帶數(shù)值模擬模型,通過三維湍流數(shù)值模擬技術,對典型工況的尾水管內(nèi)部氣液兩相湍流進行了數(shù)值模擬計算。計算結果表明:采用混合模型和RNGk-ε湍流模型可以模擬不同工況條件下尾水管內(nèi)部氣液兩相流動特點,計算獲得的壓力分布、速度分布和空化區(qū)域符合在實驗室觀察到的流動規(guī)律。為研究氣液兩相尾水管渦帶流動的產(chǎn)生發(fā)展機理提供了新的手段。
水力機械研發(fā)平臺完成了國家重點攻關項目5項,省部重點項目9項,國家自然科學基金項目4項,三峽、溪洛渡、向家壩等國家重大項目的技術攻關10多項,重大工程的技術論證20多項;開發(fā)了高性能的JF系列混流式水輪機,JK、JP系列軸流式水輪機;完成了三峽右岸、溪洛渡、向家壩等大型水電工程國際招標中同臺對比復核試驗10項,新疆下板地、雙牌等電站的水輪機模型驗收試驗11項;承接了越南北平電站、土耳其BH電站等國際機電成套項目4項;完成百余座水電站、泵站的技術改造,數(shù)十座新建電站的水力模型應用;代表中國參加2 個IEC 工作組制定新的國際標準,主編、參編國家標準14項,行業(yè)標準5項;取得了新型質(zhì)量法流量標定裝置、高精度靜壓軸承扭矩測量裝置等專利技術8項。水力機械研發(fā)平臺取得的主要工程應用成果如下:
(1)水力機械流動理論與優(yōu)化設計。完成了黃河小浪底電站水輪機、萬家寨引黃用水泵、三峽電站水輪機、二灘電站水輪機、抽水蓄能電站高水頭可逆式水泵水輪機、南水北調(diào)工程用泵等國家和省部委下達的重大攻關任務,大幅提高了解決國家重點工程關鍵技術難題的能力[3]。提出了可考慮入口環(huán)量分布、考慮旋轉(zhuǎn)影響的葉輪的準三維S2流面有限元設計方法,建立了水力機械內(nèi)部三維黏性數(shù)值模擬模型和計算方法、三維兩流體固液、氣液兩相流數(shù)值模擬模型及磨損破壞預估模型。
突破傳統(tǒng)轉(zhuǎn)輪設計方法的局限,創(chuàng)新葉片變環(huán)量分布和葉片積疊成型等技術,改良翼型,形成了獨特的水力設計方法,構建了水輪機和水泵水力模型設計系統(tǒng),水力模型最優(yōu)效率率先在國內(nèi)突破93%和94%大關,研究成果在多個重大水利水電工程建設中得到應用[4]。
(2)水力機械質(zhì)量檢驗和性能驗收。水力機械研發(fā)平臺作為國家認證認可監(jiān)督管理委員會“水電站水力設備質(zhì)量檢驗測試中心”的重要組成部分,依據(jù)IEC、GB等標準廣泛開展水輪機、水泵及水泵水輪機的模型復核試驗和同臺對比試驗、原型水輪發(fā)電機組、水泵機組和水泵水輪機組等的現(xiàn)場質(zhì)量檢驗、性能驗收和安全鑒定試驗等,完成了三峽右岸、溪洛渡、烏東德、引漢濟渭三河口、大藤峽等20余個國家重大水電工程水輪機模型的同臺對比試驗,模型試驗的水電站總裝機容量超過7500萬kW,約占全國水電總裝機容量的1/4。
(3)水電站和水泵站增效擴容改造。提出水電站水輪機改造解決方案,建立“量體裁衣”的個性化解決流程。針對近萬座農(nóng)村水電站增效擴容改造工程提出的多約束多目標的水力設計問題,創(chuàng)建了具備多約束多目標優(yōu)化設計能力的水輪機和水泵水力設計系統(tǒng),開發(fā)了覆蓋混流式水輪機全水頭范圍、性能優(yōu)秀的17個系列158個混流式水輪機水力模型和40個離心和軸/貫流式水泵模型。成功應用于國內(nèi)外200多座水電站和52座泵站,約460臺機組,全部達到或超出預期指標。
中國水科院開發(fā)搭建的水力機械研發(fā)平臺,服務和推動了新型、高效水力機械的開發(fā)設計及推廣應用,促進了科研和水電設備標準化建設,為水力機械同臺對比試驗和模型驗收提供了平臺支撐和技術服務。
5.1 平臺的主要技術創(chuàng)新(1)發(fā)明了水沙隔離裝置和高精度泥沙濃度測試方法,解決了在渾水條件下水力機械外特性、空化初生和磨損特性測試等相關技術難題,首創(chuàng)了水力機械模型渾水測試系統(tǒng)。(2)研制了高精度的流量計原位標定系統(tǒng)和臥式靜壓軸承,提高了水力機械模型性能測試精度,建成了國際一流的水力機械模型清水測試系統(tǒng)。(3)自主原創(chuàng)開發(fā)了水力機械模型磨損試驗方法,采用易損涂層實現(xiàn)磨損部位和強度的快速測試,填補了磨損模型測試的空白。(4)CFD數(shù)值模擬和模型試驗相結合,創(chuàng)立了具有自主知識產(chǎn)權的水力機械兩相流數(shù)值模擬及磨損預估模型。
5.2 平臺的應用(1)將CFD 計算分析、水力機械開發(fā)和模型觀測試驗三方面有機結合起來,用模型觀測試驗驗證、修改CFD 軟件及水力設計,通過CFD 計算分析研究探索模型試驗中發(fā)現(xiàn)的規(guī)律,促進了兩個平臺協(xié)同發(fā)展。(2)同臺對比試驗是我國的一項重大管理機制創(chuàng)新,增強了投標企業(yè)進行技術創(chuàng)新開發(fā)新型高性能水力機械的積極性,整體提高了投標水力機械的性能水平。通過近十個水電工程的水輪機、水泵水輪機同臺對比試驗,為電站優(yōu)選水力模型的同時發(fā)現(xiàn)了空化和穩(wěn)定性等方面的新問題、新現(xiàn)象。(3)研發(fā)的水力機械新模型、新技術,在國內(nèi)外得到廣泛應用,對促進中國的小水電建設和水電站技術更新改造做出了很大貢獻,幫助和扶持了中小水電設備企業(yè),為我國水電設備“走出去”做出了一定貢獻。(4)水力機械研發(fā)平臺的建設促進了科研創(chuàng)新工作深入發(fā)展,使我們在抗磨材料和技術研發(fā)、磨損測試及模擬、整裝機研制、渾水測試及小型水電站運行穩(wěn)定性研究等方面獲得許多創(chuàng)新型成果,并將部分成熟經(jīng)驗與成果應用于主編或參編的國家標準或行業(yè)標準中,推動了行業(yè)技術進步。