某混流式水輪機小負(fù)荷工況異常壓力脈動研究

賈維斌，王釗寧，程 宦，張 森，譚興國

（1.東方電氣集團(tuán)東方電機有限公司，四川 德陽 618000；2.河南理工大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，河南 焦作 454003；3.哈密豫新能源產(chǎn)業(yè)研究院有限責(zé)任公司，新疆 哈密 839000）

引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，人類對能源的需求逐漸增加，新能源的開發(fā)有豐富能源結(jié)構(gòu)、保障能源安全、降低環(huán)境污染等優(yōu)點而備受關(guān)注。未來幾十年，增加清潔能源份額是世界各國電力工業(yè)發(fā)展的總趨勢，尤其是水電、風(fēng)電等清潔能源將得到大力發(fā)展[1-3]。

由于以風(fēng)能、太陽能為主的新能源具有隨機性大、突變性強等特點，其大規(guī)模并網(wǎng)對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行帶來巨大挑戰(zhàn)。常規(guī)混流式水輪機具有出力大、運行范圍寬、調(diào)節(jié)速度快等優(yōu)點，與風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電短時的不連續(xù)性有較好的互補作用。然而，在多能互補運行條件下，常規(guī)混流式機組的運行范圍需要大幅拓寬，機組將長時間運行在部分負(fù)荷甚至超低負(fù)荷區(qū)域，運行工況長期偏離穩(wěn)定運行區(qū)對機組的安全運行產(chǎn)生了威脅，國內(nèi)許多電站相繼出現(xiàn)振動偏大、轉(zhuǎn)輪裂紋頻發(fā)等問題[4-6]。

無葉區(qū)壓力脈動是影響水輪機穩(wěn)定性的重要因素[7]，受到了專家學(xué)者的廣泛關(guān)注[8-11]。管子武 等[8]對某水泵水輪機模型試驗中無葉區(qū)出現(xiàn)的1 倍轉(zhuǎn)頻壓力脈動進(jìn)行了數(shù)值研究，發(fā)現(xiàn)1 倍轉(zhuǎn)頻壓力脈動的產(chǎn)生可能與尾水管回流有關(guān)。李琪飛 等[9]通過對比數(shù)值計算結(jié)果和模型試驗結(jié)果數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)水泵水輪機在飛逸工況的穩(wěn)定性主要由無葉區(qū)高速水環(huán)引起。徐洪泉 等[10]對國內(nèi)已投運的水泵水輪機壓力脈動幅值及頻率特性進(jìn)行統(tǒng)計分析，提出了水泵水輪機在水輪機工況高壓力脈動幅值的來源。李劍華 等[11]使用數(shù)值分析方法對4 種典型工況下水泵水輪機無葉區(qū)的壓力脈動和內(nèi)部流動進(jìn)行研究分析，揭示了壓力脈動在不同工況下的演化規(guī)律。筆者在模型試驗過程中發(fā)現(xiàn)了某混流式水輪機小負(fù)荷工況下無葉區(qū)出現(xiàn)的異常壓力脈動，尚不明確其產(chǎn)生機理，亟需開展相關(guān)研究。

文章基于某混流式水輪機的模型試驗結(jié)果，運用數(shù)值計算方法對無葉區(qū)異常壓力脈動幅值現(xiàn)象進(jìn)行研究，分析小負(fù)荷工況下的內(nèi)部流場特性，揭示引起壓力脈動異常幅值的機理。

1 水輪機模型試驗

1.1 水輪機模型

研究對象為某常規(guī)混流式水輪機，其主要真機參數(shù)如下：額定出力為510 MW，額定轉(zhuǎn)速為166.7 r/min，額定水頭為215 m，最大水頭為251.4 m，最小水頭為155.4 m，比轉(zhuǎn)速為144.6 m·kW。

為更好地預(yù)估原型水輪機的效率、空化以及壓力脈動等水力性能，通常采用與真機保持幾何相似、運動相似及動力相似的縮小尺寸的模型水輪機上進(jìn)行試驗[12]。試驗研究所用模型水輪機轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)為15+15，進(jìn)口直徑為436.0 mm，最優(yōu)工況單位轉(zhuǎn)速及單位流量分別為63.0 r/min 和420.0 L/s。

1.2 模型試驗臺

模型水輪機的試驗在東方電機研究試驗中心DF-100 試驗臺進(jìn)行。DF-100 水力機械通用試驗臺建成于1988 年，可進(jìn)行反擊式水力機械的模型試驗，能夠開展能量、空化、流態(tài)觀測、壓力脈動、飛逸、導(dǎo)葉水力矩、軸向水推力、補氣、蝸殼壓差、四象限全特性等試驗項目以及其他用戶要求的特殊試驗項目[13]。

模型試驗臺的主要技術(shù)參數(shù)見表1。模型試驗臺如圖1 所示。

表1 試驗臺主要技術(shù)參數(shù)

圖1 模型試驗臺

1.3 壓力脈動試驗結(jié)果

壓力脈動試驗的試驗水頭為30 m。在電站裝置空化系數(shù)下進(jìn)行模型試驗，試驗時在保持水頭基本不變的條件下，通過改變模型水輪機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)試驗工況點的轉(zhuǎn)換。壓力脈動試驗的試驗工況從空載到滿負(fù)荷，覆蓋電站實際運行的最小至最大水頭。

對于混流式水輪機無葉區(qū)壓力脈動與單位流量存在如下關(guān)系：小流量工況，導(dǎo)葉開度較小時其出口為射流且轉(zhuǎn)輪頭部為強正沖，流態(tài)較差，故無葉區(qū)壓力脈動幅值偏大；隨著流量增加，導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)輪頭部匹配關(guān)系更適宜，在設(shè)計轉(zhuǎn)角下及設(shè)計工況下無葉區(qū)壓力脈動幅值達(dá)到最小；當(dāng)流量進(jìn)一步增加至大流量工況，導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角變大轉(zhuǎn)輪進(jìn)口變?yōu)樨?fù)沖角，導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪進(jìn)口距離減小，動靜干涉作用影響下，無葉區(qū)壓力脈動幅值繼續(xù)增加。

針對單位轉(zhuǎn)速n11=64 r/min 下各工況無葉區(qū)的壓力脈動幅值進(jìn)行了測試，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 無葉區(qū)壓力脈動特性曲線(n11=64 r/min)

從圖2 中可以發(fā)現(xiàn)，在單位轉(zhuǎn)速為n11=64 r/min下，自空載工況逐步加大導(dǎo)葉開度，無葉區(qū)壓力脈動幅值逐步增加，當(dāng)單位流量增加至122 L/s 時無葉區(qū)壓力脈動幅值激增至8.3%；隨著流量增加，無葉區(qū)壓力脈動值逐漸減??；當(dāng)流量增加至370 L/s 左右時，無葉區(qū)壓力脈動幅值降至2.0%；此后，隨著流量進(jìn)一步增大，無葉區(qū)壓力脈動幅值也逐漸增加，當(dāng)達(dá)到最大流量600 L/s 時，無葉區(qū)壓力脈動增至4.5%。

在單位流量Q11=122 L/s 工況，無葉區(qū)壓力脈動幅值出現(xiàn)異常峰值，混頻幅值達(dá)到8.3%，是最優(yōu)工況的4 倍左右，且該工況附近±50 L/s 范圍內(nèi)各工況無葉區(qū)壓力脈動幅值與常規(guī)混流式水輪機無葉區(qū)壓力脈動幅值隨流量變化的分布規(guī)律有差異。為分析異常脈動幅值成因，對該工況壓力脈動信號進(jìn)行頻譜分析，圖3 給出了Q11=122 L/s 工況下無葉區(qū)測點頻譜特性。

從圖3 中可以看出，在該工況下無葉區(qū)壓力脈動測點采集的波形信號較紊亂，混頻壓力脈動幅值大。通過對信號進(jìn)行FFT，得到的頻率分布中轉(zhuǎn)輪葉片通過頻率為第一主頻，但存在其他雜頻成分，說明無葉區(qū)的壓力脈動主要由動靜干涉作用引起，但由于其他雜頻信號的疊加最終導(dǎo)致混頻幅值過大。

圖3 無葉區(qū)測點時域信號和頻域信號

為了進(jìn)一步研究該異常脈動幅值的產(chǎn)生原因，文中用數(shù)值模擬方法探尋其內(nèi)部流場機理。

2 數(shù)值計算模型

2.1 計算模型

數(shù)值計算選取的計算域與模型試驗裝置一致，包括蝸殼、固定導(dǎo)葉、活動導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪和尾水管5 部分，計算域模型如圖4 所示。

圖4 模型水輪機計算域

各通流部件均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格如圖5 所示，網(wǎng)格數(shù)見表2。

表2 網(wǎng)格參數(shù)

圖5 各通流部件網(wǎng)格

2.2 數(shù)值計算方法

采用Ansys CFX 進(jìn)行三維全流道非定常計算，湍流模型采用SSTk-ω模型。

計算域進(jìn)口設(shè)為壓力進(jìn)口邊界條件，出口設(shè)為壓力出口邊界條件，固體壁面采用無滑移邊界條件；轉(zhuǎn)動部件與靜止部件的交接面采用Transient Rotor Stator 方法。

時間項設(shè)為一階離散格式，對流項設(shè)為迎風(fēng)格式，湍流項采用一階離散格式；設(shè)置迭代收斂精度為10-5；為了保證壓力信號頻率的分辨率，時間步長為轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)1°所對應(yīng)的時間，待計算穩(wěn)定后對壓力信號進(jìn)行采樣分析。

3 結(jié)果與分析

選取了試驗中兩個特征工況進(jìn)行計算分析。工況A：試驗單位流量Q11=122 L/s，無葉區(qū)壓力脈動幅值為8.3%的工況；工況B：試驗單位流量Q11=178 L/s，無葉區(qū)壓力脈動幅值為2.5%的工況。

3.1 頻譜特性

圖6 為5 個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，工況A 和工況B 無葉區(qū)+Y、-Y 兩個方向測點的壓力脈動隨時間變化情況，圖中橫坐標(biāo)為時間，縱坐標(biāo)為壓力脈動相對幅值。圖7 為工況A 和工況B 無葉區(qū)+Y、-Y 兩個方向測點的特征頻率，其中fn為轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動頻率。

圖6 模型水輪機各水頭下尾水管壓力脈動對比

圖7 無葉區(qū)測點壓力脈動頻率特性

從圖6 和圖7 中可以看出：

（1）A 工況無葉區(qū)壓力脈動幅值明顯大于B 工況，其幅值為8.1%，B 工況無葉區(qū)壓力脈動幅值為2.3%，兩工況壓力脈動幅值相差4 倍左右，與模型試驗結(jié)果相近。

（2）兩工況頻率成分較穩(wěn)定工況均更為復(fù)雜。其中A 工況沒有明顯主頻成分，各分頻幅值均偏大。工況B 主要頻率為葉片通過頻率，其第一主頻為15倍轉(zhuǎn)頻，第二主頻為30 倍主頻。

（3）兩工況下無葉區(qū)壓力脈動混頻幅值計算值與試驗值較接近，但兩工況頻率成分與試驗值均存在一定差異。A 工況計算頻率與試驗值差異較大，存在15 倍轉(zhuǎn)頻成分但并非第一主頻，B 工況第一主頻與模型試驗完全一致，但主頻幅值有差異。

3.2 流場特征

圖8～圖10 分別為兩工況在同一時刻下無葉區(qū)相對速度對比、流道中面流線分布圖及流線方向速度分布。

圖8 無葉區(qū)相對速度對比

圖9 無葉區(qū)流線分布對比

圖10 無葉區(qū)流線方向速度分布對比

圖8～圖10 中可以看出：

（1）A 工況下轉(zhuǎn)輪沿圓周方向相對速度分布差異較大，無明顯規(guī)律性，而B 工況下轉(zhuǎn)輪沿圓周方向相對速度分布相對差異較小，不同位置略有差異，但幅值差異不大。

（2）兩工況流線分布存在較大差異，工況A 轉(zhuǎn)輪進(jìn)口為正沖角，葉片吸力面存在明顯脫流，轉(zhuǎn)輪流道內(nèi)流線分布紊亂；工況B 轉(zhuǎn)輪進(jìn)口為負(fù)沖角，葉片正面產(chǎn)生漩渦，轉(zhuǎn)輪流道內(nèi)流線分布仍較紊亂，但優(yōu)于A 工況。

（3）從流線方向速度分布來看，工況A 無葉區(qū)存在回流現(xiàn)象，部分葉片轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流體回流至活動導(dǎo)葉出口位置；工況B 轉(zhuǎn)輪葉片頭部工作面流道內(nèi)也存在回流現(xiàn)象，但主流方向仍是自活動導(dǎo)葉至轉(zhuǎn)輪方向流動并未回溯至無葉區(qū)。

從試驗及計算情況均可以得出：工況A 無葉區(qū)壓力脈動幅值大于工況B，兩者幅值相差約4倍，與試驗結(jié)果吻合；工況A 頻譜特性較復(fù)雜，無明顯優(yōu)勢頻率，工況B 顯示出較強葉片通過頻率及其倍頻。從流態(tài)分布來看：A 工況轉(zhuǎn)輪流道中的水流回流至活動導(dǎo)葉出口，與主流相互作用，導(dǎo)致該工況流動不穩(wěn)定，壓力脈動幅值激增。而B 工況轉(zhuǎn)輪內(nèi)部存在一定程度回流，但并未影響主流，對無葉區(qū)流態(tài)影響較小，故其壓力脈動幅值較小。

4 結(jié)論

通過CFD 數(shù)值計算，對某混流式水輪機小負(fù)荷工況無葉區(qū)異常壓力脈動幅值進(jìn)行研究，得到如下結(jié)論：

（1）通過計算結(jié)果與試驗結(jié)果的對比，說明數(shù)值計算方法可用于壓力脈動幅值的預(yù)測。

（2）小流量工況下，無葉區(qū)測得主要頻率為葉片通過頻率及其倍頻，故無葉區(qū)壓力脈動幅值主要受動靜干涉影響。

（3）小流量工況下，轉(zhuǎn)輪流道內(nèi)出現(xiàn)流動分離，主流與轉(zhuǎn)輪內(nèi)回流的相互撞擊作用可能是無葉區(qū)壓力脈動幅值異常的主要原因。