六噴嘴沖擊式水輪機的飛逸特性研究

李任飛，李海軍,劉振龍，于 洋，徐用良，劉永新

(1.水力發(fā)電設(shè)備國家重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150040；2.中國三陜建工(集團)有限公司，四川 成都 610000；3.中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130021；4.哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 前言

沖擊式水輪機適應(yīng)水頭范圍寬，且在高水頭范圍內(nèi)非常適用。目前采用六噴嘴設(shè)計的沖擊式水輪機在較大容量的沖擊式機組使用比較普遍，如中國云南的吉沙電站、中國四川的冶勒、大發(fā)、仁宗海等電站、中國新疆的公格爾電站，水頭均在500～600 m，挪威的埃文格電站水頭約800 m[1-2]。

與反擊式水輪機相比，沖擊式水輪機的射流裝置(噴嘴)通過噴針調(diào)節(jié)流量，且相同裝機容量的沖擊式水輪機組的轉(zhuǎn)速更高，飛逸轉(zhuǎn)速對于沖擊式水輪機來說就顯得更為重要。飛逸轉(zhuǎn)速一定程度上界定了轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)的最高轉(zhuǎn)速，其常指水輪機因故障等突然甩去負荷，發(fā)電機輸出功率為零，而此時如水輪機調(diào)速機構(gòu)失靈或其他原因使導(dǎo)水機構(gòu)不能關(guān)閉，則水輪機轉(zhuǎn)速迅速升高。當(dāng)輸入的水流能量與轉(zhuǎn)速升高時產(chǎn)生的機械摩擦損失能量相平衡時，轉(zhuǎn)速達到某一穩(wěn)定的最大值，該轉(zhuǎn)速則為飛逸轉(zhuǎn)速。最大飛逸轉(zhuǎn)速發(fā)生在最大水頭工況下。對于沖擊式水輪機，在設(shè)計階段飛逸轉(zhuǎn)速通常大致地選取為額定轉(zhuǎn)速的1.8～1.9倍，顯然該范圍偏于保守，且過于粗糙。張征驥針對沖擊式水輪機，基于飛逸發(fā)生時射流與轉(zhuǎn)動水斗不發(fā)生相互作用的原理，總結(jié)了飛逸工況下切向速度Ux1R和射流速度C0的比值kR0與轉(zhuǎn)輪位置特征角的關(guān)系，并將其簡化為與比轉(zhuǎn)速nq的關(guān)系[3]，有

(1)

其中比轉(zhuǎn)速nq的適用范圍為0.06～0.13(單位1/s)。雖然依此獲得的飛逸轉(zhuǎn)速數(shù)值和實際情況吻合很好，但該式并未討論噴嘴匹配方式、噴針行程等對于飛逸轉(zhuǎn)速的影響，而通常情況下，不同噴嘴匹配方式下，飛逸轉(zhuǎn)速存在較大差異。

對旋轉(zhuǎn)流體機械來說，從幾何參數(shù)到工況參數(shù)，對運行結(jié)果影響巨大。如斜流泵的飛逸特性隨揚程和葉片安裝角具有規(guī)律性變化[4]，兩相流動特征影響水輪機出力[5]，而水頭、空化系數(shù)及導(dǎo)葉開度對混流式水輪機軸向推力也具有相當(dāng)?shù)挠绊慬6]。對沖擊式水輪機組，考慮到轉(zhuǎn)輪運動和射流噴嘴的協(xié)聯(lián)特性，噴嘴特性將是一個重要的因素。六噴嘴機組運行的噴嘴數(shù)根據(jù)負荷的變化進行相應(yīng)調(diào)節(jié)，可以選擇的運行數(shù)目有1個、2個、3個、4個和6個噴嘴運行，而相應(yīng)地，少數(shù)噴嘴運行時，噴嘴的組合方式也是一個額外的決定因素。

本文針對某六噴嘴水輪機組的模型試驗，歸納總結(jié)了不同噴嘴配置的飛逸試驗結(jié)果，對實驗結(jié)果進行了計算流體動力學(xué)(CFD)模擬分析。CFD數(shù)值計算可有效地給出不同機組在不同工況下的飛逸特性，并和實驗結(jié)果進行對比分析[7-9]。本文開展了非定常氣液兩相流數(shù)值模擬，對六噴嘴沖擊式水輪機在不同噴嘴數(shù)運行時的飛逸特性進行了分析，并討論了分析結(jié)論推廣到其它噴嘴數(shù)的機組上的情形。

1 沖擊式水輪機的飛逸特性實驗研究

本文研究的某六噴嘴沖擊式水輪機，噴嘴的布置情況如圖1所示。在進行飛逸轉(zhuǎn)速實驗時，對不同噴嘴運行組合的情況進行了研究，噴嘴組合情況分別為：單噴嘴、雙噴嘴、三噴嘴、四噴嘴和六噴嘴工況，表1給出了具體的組合方式。

表1 飛逸特性試驗噴嘴運行工況

圖1 某六噴嘴沖擊式水輪機噴嘴位置及編號圖示

飛逸轉(zhuǎn)速通過模型沖擊式水輪機試驗獲得，飛逸試驗的主要目的在于獲得單位飛逸轉(zhuǎn)速n11R的變化規(guī)律。實驗時，保持轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速n不變(測功機轉(zhuǎn)速不變，測量凈功)，在某個噴針行程Sm(范圍覆蓋最優(yōu)行程Sopt)下，通過調(diào)節(jié)水頭H以改變射流速度，獲得單位轉(zhuǎn)速n11=nD1/H0.5和效率的關(guān)系曲線，單位轉(zhuǎn)速n11超過最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速時n11opt效率下降，下降到0時即為飛逸工況，此時即為單位飛逸轉(zhuǎn)速n11R。通過上述模型試驗，將給出無量綱噴針行程Sm/Sopt與無量綱單位飛逸轉(zhuǎn)速n11R/n11opt之間的關(guān)系，在應(yīng)用于真機時，將真機的最大水頭代入，即可獲得真機的最大飛逸轉(zhuǎn)速nRmax=n11R(Hmax)0.5/D1。

1.1 多噴嘴運行時的飛逸特性

首先給出多噴嘴運行時的飛逸轉(zhuǎn)速整體變化，圖2為該六噴嘴模型沖擊式水輪機飛逸特性部分試驗結(jié)果，結(jié)果包含了單噴嘴、雙噴嘴(對稱)、三噴嘴(中心對稱)、四噴嘴和六噴嘴運行的工況。圖中橫坐標(biāo)Sm/Sopt為單位飛逸轉(zhuǎn)速與最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速的比值，縱坐標(biāo)n11R/n11opt為噴針行程與最優(yōu)工況噴針行程的比值，下同。

圖2 六噴嘴模型沖擊式水輪機飛逸特性

從圖中可以看出，對于單噴嘴運行情況來說，在噴針行程增加到一定程度(相對行程約為1.0)時，飛逸轉(zhuǎn)速會有較明顯的升高。對應(yīng)雙噴嘴(對稱)和三噴嘴(中心對稱)的運行工況下，情況類似。

而在四噴嘴(1#、2#、4#、5#)和六噴嘴全部運行的工況下，飛逸轉(zhuǎn)速沒有明顯上升。可見，對于六噴嘴沖擊式水輪機來說，其最大飛逸轉(zhuǎn)速通常出現(xiàn)在部分噴嘴運行、噴針行程較大的工況。針對所研究的沖擊式水輪機，最大飛逸轉(zhuǎn)速出現(xiàn)在雙噴嘴(對稱)運行時的最大噴針行程工況，而在六噴嘴全部運行時，飛逸轉(zhuǎn)速較低。

1.2 雙噴嘴下不同匹配方式運行的飛逸特性

圖3分別給出了對稱雙噴嘴(1#、4#)、間隔雙噴嘴(1#、3#)和相鄰雙噴嘴(1#、2#)運行時的無量綱飛逸曲線?？梢?，盡管對稱雙噴嘴、間隔雙噴嘴的飛逸特性飛逸轉(zhuǎn)速明顯上升時對應(yīng)的行程有少許差別，但二者的飛逸特性與單噴嘴相似，隨著噴針行程增加都存在飛逸轉(zhuǎn)速明顯升高的現(xiàn)象，而相鄰雙噴嘴的特性則表現(xiàn)出不同的特性，隨噴針行程增加，飛逸轉(zhuǎn)速沒有明顯升高，甚至略有下降。

圖3 雙噴嘴運行時的飛逸特性

1.3 三噴嘴下不同匹配方式運行的飛逸特性

不對稱三噴嘴(1#、4#、5#)和對稱三噴嘴(1#、3#、5#)運行工況下的無量綱飛逸曲線，如圖4所示?？梢?，對稱三雙噴嘴運行時飛逸轉(zhuǎn)速明顯提升，而不對稱工況下的沒有提升。圖4中也同時給出了下文開展CFD計算的工況點，噴針相對行程為1.5，這兩個工況點用來對比不同噴嘴布置情況下的流場特性，同時分析造成飛逸轉(zhuǎn)速不同的差異。

圖4 三噴嘴運行時的飛逸特性

2 六噴嘴沖擊式水輪機飛逸特性討論

通過觀察以上不同噴嘴配合時的飛逸特性曲線，可以看出隨著噴針行程的增加，在一些噴嘴配合工況飛逸轉(zhuǎn)速會有明顯上升，但在一些情況卻沒有這種情況，多噴嘴運行時其飛逸特性隨噴嘴相對位置的不同而呈現(xiàn)出不同的特性。下面通過定性分析、CFD數(shù)值計算進行飛逸特性的討論。

2.1 六噴嘴沖擊式水輪機飛逸特性的定性分析

從飛逸的發(fā)生機理來看，在不考慮風(fēng)損等其它損失的情況下，水輪機的飛逸工況發(fā)生在轉(zhuǎn)輪輸出力矩為0的工況，這和不同運行工況下射流位置及轉(zhuǎn)速相關(guān)。

通過對比飛逸特性曲線發(fā)現(xiàn)，當(dāng)射流互不相鄰(如單噴嘴運行、對稱雙噴嘴運行、間隔雙噴嘴運行和對稱三噴嘴運行)時，隨著噴針行程的增加，飛逸轉(zhuǎn)速會有明顯上升現(xiàn)象，而當(dāng)存在相鄰射流(如相鄰雙噴嘴、不對稱三噴嘴、四噴嘴和六噴嘴運行)時，飛逸轉(zhuǎn)速變化平緩，沒有上升現(xiàn)象。故可推論飛逸特性與射流之間的位置存在依賴聯(lián)系。

原因分析如下：由于水斗式轉(zhuǎn)輪的固有特性，在多噴嘴運行時，射流與射流間、射流與水斗間(可能)存在多種流動干涉現(xiàn)象[10-11]，而流動干涉必然會引起水輪機輸出力矩及效率下降。對于相鄰射流來說，最顯著的流動干涉為相鄰射流在水斗內(nèi)部作用引起的水膜干涉。Kubota通過試驗觀察到了六噴嘴沖擊式水輪機模型試驗中的水膜干涉現(xiàn)象[12]，這是由于隨著轉(zhuǎn)速的增加，前一射流在水斗內(nèi)還沒有完全流出的情況下，下一射流進入水斗，并追上前一射流，引起干涉，并導(dǎo)致水輪機效率的驟降。根據(jù)這種現(xiàn)象以及對飛逸特性的分析，可以確定當(dāng)存在相鄰射流情況下，隨著轉(zhuǎn)速的升高，相鄰射流引起的水膜干涉所導(dǎo)致水輪機效率下降會更早發(fā)生，當(dāng)效率下降到0時，發(fā)生飛逸，而無相鄰射流時，隨著轉(zhuǎn)速上升水輪機的效率下降會慢一些，飛逸發(fā)生會延緩。這樣有相鄰射流的飛逸轉(zhuǎn)速會低于無相鄰射流。

2.2 六噴嘴沖擊式水輪機飛逸特性的CFD分析

為了驗證上述分析，本文選擇了三噴嘴運行的兩個有代表性的工況進行了CFD計算(如圖4所示)。工況選擇為噴針相對行程1.5時的對稱三噴嘴和非對稱三噴嘴的飛逸工況，數(shù)值模擬結(jié)果如圖5所示，結(jié)果顯示為射流與水斗相互作用的典型情況。

圖5 三噴嘴(對稱及非對稱)運行時的水斗內(nèi)射流CFD模擬結(jié)果

在對稱三噴嘴運行的飛逸工況中，可以看出射流被水斗分割成若干段，射流與水斗幾乎沒有相互作用。而在非對稱三噴嘴飛逸工況中，非相鄰射流在水斗內(nèi)部存在一定程度反射，即射流與水斗之間存在相互作用，非對稱三噴嘴的相鄰射流與水斗亦存在相互作用，圖(5d)所示的第二個水斗中，兩股射流產(chǎn)生的水膜存在明顯干涉。

上述CFD計算結(jié)果和前文的理論分析相吻合，即存在相鄰射流時，由于相鄰射流的干涉作用，引起水輪機效率下降，飛逸轉(zhuǎn)速較低，而在無相鄰射流時，飛逸轉(zhuǎn)速發(fā)生在射流與轉(zhuǎn)輪不發(fā)生或接近不相互作用的工況，飛逸轉(zhuǎn)速較高。

3 部分噴嘴布置的飛逸特性推廣性討論

通過以上飛逸特性試驗結(jié)果及分析，可以確定多噴嘴運行時，沖擊式水輪機的飛逸特性除與噴嘴數(shù)有關(guān)外，更重要的是與噴嘴的位置關(guān)系相關(guān)。相同噴嘴數(shù)運行而位置關(guān)系不同時，飛逸特性會表現(xiàn)出較大的差異。盡管該結(jié)論是從6噴嘴沖擊式水輪機的模型試驗中發(fā)現(xiàn)的，但可以推廣到其它噴嘴數(shù)的機組中。

由于沖擊式水輪機的轉(zhuǎn)輪與引水部件及噴射機構(gòu)相對獨立，真機選型設(shè)計時經(jīng)常會選用進行過模型試驗的轉(zhuǎn)輪，而引水部件及噴射機組并不相似，尤其對于一些中小型沖擊式機組更是如此，噴嘴數(shù)及不同噴嘴之間的夾角可能都不與模型相似，這時通過模型試驗結(jié)果評判真機性能參數(shù)時就需考慮異型部件的影響。

目前關(guān)于水輪機異型部件對于效率影響的認識已相對成熟[13]，從模型效率換算真機效率也相對準(zhǔn)確，能夠滿足工程設(shè)計需要。而對沖擊式水輪機的飛逸轉(zhuǎn)速計算，往往只簡單地按額定轉(zhuǎn)速的1.8～1.9倍估算[3]，這種估算方法過于粗糙。通過前文對飛逸特性的分析，可通過六噴嘴轉(zhuǎn)輪的飛逸試驗結(jié)果對其它噴嘴數(shù)配合方式的飛逸性能做出推斷，表2給出了對其它噴嘴數(shù)常用組合的部分推斷。

表2 不同噴嘴匹配方式飛逸特性分析

4 結(jié)論

本文針對某六噴嘴沖擊式水輪機飛逸特性進行了實驗研究，分析了沖擊式水輪機飛逸特性與運行噴嘴的關(guān)系，并通過CFD分析驗證了分析結(jié)論。在此基礎(chǔ)上討論了更多噴嘴匹配形式與飛逸特性的關(guān)系。結(jié)論如下：

(1)由于相鄰噴嘴的射流在水斗內(nèi)部引起的水膜干涉，因此噴嘴的匹配方式對沖擊式水輪機的飛逸特性有重要影響，當(dāng)存在相鄰噴嘴運行時，飛逸轉(zhuǎn)速總體相對較低，而無相鄰噴嘴運行時，在噴針行程較大時，飛逸轉(zhuǎn)速會有明顯上升；

(2)通過對典型工況飛逸特性的CFD計算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)存在相鄰噴嘴運行時，可以在水斗內(nèi)部清晰觀察到射流的干涉；而無相鄰射流時，水斗內(nèi)部無水膜干涉；

(3)根據(jù)六噴嘴沖擊式轉(zhuǎn)輪的模型飛逸特性研究結(jié)果，可推斷出非六噴嘴運行的中小型沖擊式水輪機的飛逸特性，滿足工程設(shè)計需要。