沖擊式水輪機(jī)全流域數(shù)值分析及流動特性研究

程超

哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司 黑龍江哈爾濱 150000

與國外相比，中國的沖擊式水輪機(jī)研究水平仍處于經(jīng)驗(yàn)積累階段。另外，水輪機(jī)的進(jìn)氣流是兩階段的三維不穩(wěn)定流，復(fù)雜的流場特性也給研究帶來很多困難。沖擊式水輪機(jī)的水循環(huán)回路具有經(jīng)典的圓形彎頭流和歧管流，水循環(huán)回路和噴嘴中存在伴隨這兩個流的二次通量現(xiàn)象，并繼續(xù)干擾主流。下游壓力和自由射流速度會引起各種影響，這是沖擊式水輪機(jī)供水機(jī)構(gòu)的主要能量損失點(diǎn)。因此，研究沖擊式水輪機(jī)的水循環(huán)，噴嘴和噴射回路的流動特性尤為重要。

1 四噴嘴沖擊式水輪機(jī)供水機(jī)構(gòu)內(nèi)部流動特性研究

沖擊式水輪機(jī)主要由供水機(jī)構(gòu)和流道組成。供水機(jī)構(gòu)包括配水環(huán)管和圓形噴嘴。研究表明，上游供水機(jī)構(gòu)的流量特性將直接影響從上游噴嘴出口形成的流量[1]。同時，供水機(jī)構(gòu)進(jìn)水通道的設(shè)計(jì)與沖擊式水輪機(jī)運(yùn)行過程中的能量損失有關(guān)，直接影響整個機(jī)組的效率。為了研究四噴嘴沖擊式水輪機(jī)供水機(jī)構(gòu)的向內(nèi)流動特性以及由此產(chǎn)生的能量損失的分布以及多脈沖水力發(fā)電機(jī)組的參數(shù)，研究了以下三個方面：

（1）研究供水機(jī)構(gòu)的內(nèi)部流動特征；

（2）尋找供水機(jī)構(gòu)造成的能量損失；

（3）研究供水機(jī)構(gòu)內(nèi)部二次水流的發(fā)展過程。

2 四噴嘴沖擊式水輪機(jī)全流域發(fā)展分析

（1）四噴嘴沖擊式水輪機(jī)供水機(jī)構(gòu)中配水環(huán)管、噴嘴的內(nèi)部流態(tài)進(jìn)行了分析，將其流動特性以及各部分能量損失進(jìn)行了闡述。結(jié)合四噴嘴沖擊式水輪機(jī)相關(guān)工況條件，可以看出其適用范圍相當(dāng)廣泛，對于流量要求沒有軸流式、貫流式水輪機(jī)高，不需要建設(shè)具有相當(dāng)規(guī)模的水壩作為運(yùn)行環(huán)境，在高水頭的水力資源工況條件下能體現(xiàn)優(yōu)秀的產(chǎn)能效率。

（2）通過提取噴嘴在三個工作水頭下的進(jìn)出口壓力差及水頭損失比等系數(shù)后，發(fā)現(xiàn)噴嘴的能量損失也隨工作水頭的上升而上升，同時在同一工作水頭下，四個噴嘴的能量損失基本持平。通過提取噴嘴噴針外側(cè)的14 個平面平均壓力點(diǎn)的壓強(qiáng)可以得知，噴嘴內(nèi)部水流在逐步接近噴嘴口時，由于噴嘴壁面急劇收縮，使得壓力梯度驟然上升，逐步將水流的壓力能轉(zhuǎn)化為動能。越靠近出水口，壓力下降幅度越快。在流經(jīng)噴嘴喉部時，壓力會降至較低位置，隨后由于后續(xù)射流施加向前的加速度，壓力緩慢回升。

（3）通過對供水機(jī)構(gòu)內(nèi)部二次流現(xiàn)象的研究，發(fā)現(xiàn)在配水環(huán)管及噴嘴內(nèi)都存在著不同程度的二次流現(xiàn)象。在配水環(huán)管中水流經(jīng)過曲率較大的彎管截面時，在內(nèi)部產(chǎn)生迪恩渦對并且在水流前進(jìn)的過程中，這對旋渦持續(xù)發(fā)展，對配水環(huán)管內(nèi)部流動造成了較大的干擾。在水流進(jìn)入接近分叉管口時，二次流暫時消弱，但仍然存在。在水流進(jìn)入噴嘴進(jìn)水口后，二次流現(xiàn)象再次發(fā)展，在靠近噴嘴出水口時再次削弱。在水流流經(jīng)噴嘴口形成自由射流后，二次流現(xiàn)象再次發(fā)展，持續(xù)以一定規(guī)模存在于射流中?？梢钥闯龆瘟鳜F(xiàn)象貫穿于供水機(jī)構(gòu)的全部流動過程中，是供水機(jī)構(gòu)主要的能量損失來源。

（4）通過選取當(dāng)前主流沖擊式水輪機(jī)基本模型，求解出最高效率下的最優(yōu)速度比，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入四噴嘴沖擊式水輪機(jī)全流域的仿真模擬，發(fā)現(xiàn)自由射流與轉(zhuǎn)輪的做功過程存在多個步長的階段，從射流剛接觸水斗、射流少量進(jìn)入水斗、射流被水斗切水工作面切割、射流充分進(jìn)入水斗這幾個觀測時間點(diǎn)中發(fā)現(xiàn)了射流在水斗內(nèi)會存在破壞水膜流動的水流溢散流失現(xiàn)象，一定程度上造成了做功過程中的能量損失。在射流與單一水斗的運(yùn)動過程中，發(fā)現(xiàn)水斗中存在多個負(fù)壓力域，容易形成氣蝕現(xiàn)象。同時相鄰水斗通過水流進(jìn)行相互作用，對水輪機(jī)整體產(chǎn)能效率有著不容忽視的影響。

（5）本文使用ANSYSFLUENT 以及CFD-Post 對四噴嘴沖擊式水輪機(jī)進(jìn)行了全流域數(shù)值模擬分析，對配水環(huán)管、噴嘴內(nèi)流態(tài)以及射流的壓力、速度、流線等方面參數(shù)進(jìn)行提取和分析，并將射流沖擊水斗做功過程分解為多個時間步長，探明在四噴嘴沖擊式水輪機(jī)從供水機(jī)構(gòu)到轉(zhuǎn)輪之間主要的能量損失來源。

提高供水機(jī)構(gòu)以及轉(zhuǎn)輪的建模精度。在配水環(huán)管的實(shí)際加工過程中，是用多截小彎管逐次焊接而成，但其設(shè)計(jì)原型并未有統(tǒng)一規(guī)格。本文提取主要彎管截面的曲率，進(jìn)行簡化建模。轉(zhuǎn)輪水斗建模共分為四個面，分別是前部切水面、中部做功面、尾部出水面以及背面。但在實(shí)際的水斗加工過程中，國外主流使用非光滑曲面設(shè)計(jì)的水斗，而國內(nèi)使用三個工作面為光滑曲面的水斗并且與配水環(huán)管一樣沒有統(tǒng)一規(guī)格。從而使得國內(nèi)外關(guān)于轉(zhuǎn)輪做功的相關(guān)研究存在差異性。

3 結(jié)語

總而言之，隨著中國社會的飛速發(fā)展和各行各業(yè)生產(chǎn)水平的不斷提高，電能已成為所有電力公司和國家必不可少的重要能源。近年來，該國的電能生產(chǎn)和開發(fā)進(jìn)入了一個熱點(diǎn)階段，其中水電是電能生產(chǎn)的重要來源，其發(fā)展勢頭和技術(shù)逐漸成熟。在我國，水力發(fā)電已由低水位向高水位發(fā)展。其中，水輪機(jī)起主要的能量轉(zhuǎn)換作用，將水流的動能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)輪的機(jī)械能。在許多具有不同條件的液壓資源中，每種類型的水輪機(jī)都響應(yīng)不同的揚(yáng)程和工況。在不同類型的沖擊式水輪機(jī)中，沖擊式水輪機(jī)適合在高揚(yáng)程條件下運(yùn)行，相對容易安裝，維護(hù)成本低，并且在低流量和高流量下均表現(xiàn)良好。