某混流式水輪機(jī)超出力運(yùn)行可行性分析

康永剛，況勛圖，嚴(yán)利軍，劉 陽，盧進(jìn)玉

(1. 華電四川發(fā)電有限公司寶珠寺水力發(fā)電廠，四川 廣元 628000；2. 華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州 310012)

水輪發(fā)電機(jī)組超出力運(yùn)行是在水電運(yùn)行實踐中為普遍存在的一種現(xiàn)象，特別是中小型機(jī)組，短期超出力運(yùn)行也時有發(fā)生。青溪水電站開展了機(jī)組超出力運(yùn)行穩(wěn)定性及發(fā)電機(jī)溫升試驗研究，分析了水電站超出力的可行性，實現(xiàn)了增加發(fā)電量和調(diào)峰容量目標(biāo)[1]。五強(qiáng)溪電站實際運(yùn)行中水資源利用率較低，而設(shè)備設(shè)計有超發(fā)的潛力，綜合各方面的因素，在不進(jìn)行設(shè)備改造的情況下，分析了機(jī)組超額定出力運(yùn)行可行性[2]。清江高壩洲電廠在不更換水輪機(jī)主設(shè)備條件下,按單機(jī)能夠達(dá)到的最大容量超出力運(yùn)行調(diào)節(jié)保證計算,論證了機(jī)組超出力運(yùn)行的安全可靠性[3]。耿清華[4]從增大過流量、提高工作水頭等角度分析水輪機(jī)增容的可行性。綜上所述，目前主要通過現(xiàn)場試驗的方法進(jìn)行水輪機(jī)超出力運(yùn)行測試，確定機(jī)組超出力能力，但對水輪機(jī)超額定負(fù)荷運(yùn)行的理論論證工作較少，也沒有形成統(tǒng)一的系統(tǒng)性研究方法。

本文利用ANSYS平臺對某混流式水輪機(jī)(單機(jī)40萬kW)不同水頭下超出力運(yùn)行工況的流場及結(jié)構(gòu)場進(jìn)行數(shù)值仿真計算，分析超出力工況尾水管壓力脈動，并計算超出力工況轉(zhuǎn)輪葉片靜應(yīng)力，結(jié)合相關(guān)理論分析水輪機(jī)超出力運(yùn)行可行性。

1 研究方法

混流式水輪機(jī)超出力運(yùn)行時的能量、脈動特性主要通過CFX軟件計算全流道非定常工況得到。轉(zhuǎn)輪葉片應(yīng)力通過流固耦合的方法將水壓力加載到葉片表面，并借助Workbench平臺進(jìn)行應(yīng)力分析。計算所涉及的理論如下：

1.1 流體域計算

水輪機(jī)內(nèi)流體滿足連續(xù)性方程和動量守恒方程：

連續(xù)性方程：

?vi/?xi=0

(1)

動量守恒方程：

(2)

式中：V為流體速度矢量；vi為V在i方向分量；ρ為流體密度；P為流體壓強(qiáng)；μ為湍流強(qiáng)度；g為質(zhì)量力；為哈密頓算子。采用RNGκ-ω模型對方程進(jìn)行封閉。

1.2 流固耦合方式

實際運(yùn)行工況中，水輪機(jī)上冠、下環(huán)及葉片形變量很小，變形量對流場的影響微乎其微，可采用單向流固耦合的方法計算[5]。

1.3 結(jié)構(gòu)場計算

計算轉(zhuǎn)輪靜應(yīng)力時，由于轉(zhuǎn)輪屬于線性結(jié)構(gòu)，故各節(jié)點所受應(yīng)力可直接由von Mises應(yīng)力公式得出：

(3)

2 水輪機(jī)流場分析

2.1 模型簡化

某混流式水輪機(jī)，型號為HLF218a0-LJ-775，額定水頭77 m，額定流量569.37 m3/s，額定轉(zhuǎn)速88.2 r/min，活動導(dǎo)葉24個。利用UG10.0建立全流道三維模型，計算域取事故閘門下端面(轉(zhuǎn)輪中心線上游22.65 m位置)至尾水閘門上端面(轉(zhuǎn)輪中心線上游35.0 m處)之間過流斷面。計算工況選擇3個水頭、5個工況進(jìn)行分析，詳細(xì)參數(shù)見表1。為了在數(shù)值計算盡量減少誤差，利用六面體網(wǎng)格對過流部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性驗證，以效率相對差值為標(biāo)準(zhǔn)，確定網(wǎng)格總數(shù)為900萬，其中轉(zhuǎn)輪部分為651萬。計算域及網(wǎng)格模型見圖1。

表1 內(nèi)部流動分析及計算工況

圖1 流場計算網(wǎng)格及計算域

2.2 定常流場分析

2.2.1 邊界條件

利用CFX進(jìn)行流場模擬，進(jìn)口設(shè)為壓力進(jìn)口，以蝸殼進(jìn)口全壓及其速度方向為入口條件，出口邊界為尾水管出口斷面，指定流量為邊界條件；壁面采用近壁函數(shù)法對湍流流動近壁處理；湍流模型采用RNGκ-ω模型，最大殘差小于0.000 1做為計算收斂條件，空間離散采用二階精度；旋轉(zhuǎn)域外壁及流固耦合交界面采用旋轉(zhuǎn)壁面，給定旋轉(zhuǎn)軸和旋轉(zhuǎn)速度。

2.2.2 結(jié)果分析

仿真計算結(jié)果表明，5種工況蝸殼、固定導(dǎo)葉及活動導(dǎo)葉流場分布相似。蝸殼內(nèi)部流線光順，沿周向出流均勻，流速沿徑向基本不變。5種工況下，水流從蝸殼出口至固定導(dǎo)葉進(jìn)口基本無撞擊，雙列葉柵通道內(nèi)均無脫流，固定導(dǎo)葉出口角和活動導(dǎo)葉進(jìn)口角配合較好，活動導(dǎo)葉內(nèi)部流動順滑，活動導(dǎo)葉出流均勻。

圖2為工況4(88 m水頭110%Pr)轉(zhuǎn)輪區(qū)域壓力云圖。仿真結(jié)果表明，壓力沿葉片進(jìn)口至出口方向逐漸降低，無渦流、二次流現(xiàn)象，說明能量被機(jī)組逐步利用。計算結(jié)果顯示3個水頭段額定工況和超發(fā)10%工況，轉(zhuǎn)輪內(nèi)部壓力分布均勻，流動損失小，水輪機(jī)效率較高。

圖2 轉(zhuǎn)輪壓力分布

2.3 壓力脈動計算分析

2.3.1 壓力脈動定義及監(jiān)測點分布

利用非定常理論，監(jiān)測水輪機(jī)某些部位水壓力隨時間的變化，分析壓力脈動的時域信息，通過FFT變換可得到該位置壓力脈動的頻率等信息。壓力脈動量ΔH/H的定義如下：

(4)

計算時旋轉(zhuǎn)部件與固定部件交界面設(shè)置為Transient Rotor Stator滑移界面，本計算中的時間步長取為轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動周期的1/36，約為0.018 894 6 s。非定常計算中，在水輪機(jī)蝸殼進(jìn)口、固定導(dǎo)葉前、活動導(dǎo)葉前和活動導(dǎo)葉出口總共布置了四個壓力脈動監(jiān)控點，同時在尾水管錐管段，錐管出口段截取兩個監(jiān)測斷面，標(biāo)記4個監(jiān)測點，如圖3所示。

圖3 壓力脈動監(jiān)測點

2.3.2 結(jié)果分析

圖4為1、2、4工況尾水管錐管段壓力脈動時頻域圖。表2為3個工況主要位置特征值。根據(jù)計算結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，額定水頭額定出力出力工況，引、導(dǎo)水部件壓力脈動峰峰值較小，尾水管壓力脈動峰峰值約為10.09%，壓力脈動主頻為0.41 Hz，約為轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)頻的0.28倍，屬低頻壓力脈動。82 m水頭110%出力工況下，引、導(dǎo)水部件內(nèi)壓力脈動峰峰值較小，尾水管錐管出口位置壓力脈動最大，達(dá)到10.84%，壓力脈動主頻為0.36 Hz，屬低頻壓力脈動。88 m水頭110%出力工況，引、導(dǎo)水部件內(nèi)壓力脈動峰峰值較小，壓力脈動峰最大峰值均出現(xiàn)在尾水管錐管出口位置，達(dá)到8.55%，壓力脈動主頻仍為0.36 Hz。

表2 各工況主要部位壓力脈動特征值

圖4 各工況尾水管錐管段壓力脈動時域、頻域

綜上所述，在額定工況和高水頭超10%出力工況下，蝸殼至導(dǎo)葉前的測點壓力脈動振幅均較小，導(dǎo)葉后轉(zhuǎn)輪前測點壓力由于受到動靜干涉的影響，其脈動振幅有一定的增加。與蝸殼和導(dǎo)葉內(nèi)部壓力脈動峰峰值相比，尾水管內(nèi)的壓力脈動峰峰值較大，且均為低頻的壓力脈動。以上計算結(jié)果表明機(jī)組在超出力運(yùn)行工況，水輪機(jī)主要部件壓力脈動均滿足機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行要求。

3 轉(zhuǎn)輪靜應(yīng)力分析

3.1 模型及邊界條件

利用ANSYS軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)輪靜應(yīng)力計算，計算對象為轉(zhuǎn)輪單個葉片，模型及網(wǎng)格見圖5。葉片上冠及下環(huán)連接處采用全約束，計算時施加離心力和重力。葉片所受外部載荷為水壓力，水壓力由各工況定常計算求解，并抽取葉片表面水壓力，加載至葉片實體。

圖5 有限元模型

3.2 結(jié)果分析

利用workbench對額定工況(工況1)、82 m水頭110%出力(工況2)、88 m水頭110%出力(工況4)3個工況進(jìn)行葉片結(jié)構(gòu)靜應(yīng)力分析得到轉(zhuǎn)輪葉片在該三個工況葉片等效應(yīng)力和位移云圖(略)和最大位移量和最大等效靜應(yīng)力見表3。根據(jù)計算可知，轉(zhuǎn)輪葉片應(yīng)力主要集中位置為葉片出口邊與上冠、下環(huán)連接處，葉片進(jìn)口邊與出口邊相比較厚，應(yīng)力集中度較低，葉片最大等效靜應(yīng)力較大，這是由于在滿負(fù)荷及超出力工況，水輪機(jī)導(dǎo)葉開度大，過流量較大，葉片受到較大的水流沖擊力。最大等效應(yīng)力所在位置一般為典型的應(yīng)力集中部位，三種工況下，除應(yīng)力集中位置外其他位置葉片的應(yīng)力都低于110 MPa，且三種工況下最大等效應(yīng)力均小于合同保證值。根據(jù)應(yīng)力計算結(jié)果，機(jī)組在82 m水頭附近運(yùn)行時，轉(zhuǎn)輪葉片所受靜應(yīng)力相對較低，水輪機(jī)有較高的運(yùn)行效率和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

表3 轉(zhuǎn)輪葉片最大位移和最大等效應(yīng)力

4 結(jié) 語

利用ANSYS軟件對某混流式水輪機(jī)不同水頭超出力運(yùn)行進(jìn)行流場及結(jié)構(gòu)場分析，并通過非定常計算監(jiān)測相關(guān)位置壓力脈動，分析超出力運(yùn)行可行性，得到如下結(jié)論：

1)在各計算工況下，水輪機(jī)均有較高的效率，能量性能較好；同時在高水頭超出力運(yùn)行工況，在尾水管錐管段，錐管出口段等區(qū)域壓力脈動均能滿足規(guī)定要求，機(jī)組能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

2)根據(jù)不同工況靜應(yīng)力計算結(jié)果分析，各工況下轉(zhuǎn)輪部位等效靜應(yīng)力均滿足合同要求；機(jī)組在82 m水頭運(yùn)行時，水輪機(jī)所受靜應(yīng)力較小，結(jié)構(gòu)安全性較好。