水斗式水輪機(jī)配水環(huán)管水力性能數(shù)值模擬

陳金鳳

(廣西水利電業(yè)集團(tuán)新疆克州水利發(fā)電有限公司，新疆 克孜勒蘇柯爾克孜 845350)

0 引 言

水斗式水輪機(jī)對(duì)于地理環(huán)境特殊的西部地區(qū)小流量、高水頭水力條件較為適用，與軸流式、混流式水輪機(jī)所不同的是，水斗式水輪機(jī)在我國(guó)的應(yīng)用及相關(guān)水力損失研究均處于起步階段，且現(xiàn)有研究的重點(diǎn)大多集中在水斗式水輪機(jī)射流及轉(zhuǎn)輪斗葉等方面，對(duì)其配水環(huán)管水力損失等的研究少之甚少。從實(shí)踐層面來看，國(guó)內(nèi)相關(guān)管理部門及水電站對(duì)配水環(huán)管的重視程度也略顯不足。水斗式水輪機(jī)配水環(huán)管的作用類似于混流式水輪機(jī)組中的蝸殼，主要起到均勻分配水流至各出口的作用，所以水輪機(jī)配水效率受配水環(huán)管的影響較大，尤其在水輪機(jī)機(jī)組無法滿負(fù)荷運(yùn)行的工況下影響更為明顯。通過確定配水環(huán)管最優(yōu)尺寸和形狀，以使其滿足水力運(yùn)行要求，通過優(yōu)化噴嘴結(jié)構(gòu)，使之形成良好的射流組織，對(duì)于水輪機(jī)運(yùn)行效率的提升均十分關(guān)鍵。為此，必須深入研究水輪機(jī)配水管網(wǎng)水力特性，采用高效合理的出口開啟組合方案，提升水斗式水輪機(jī)組運(yùn)行效率。

1 模型構(gòu)建

目前，流體力學(xué)軟件在水利、航運(yùn)、流體機(jī)械等各類流體和傳熱問題的分析方面應(yīng)用較為廣泛，本研究也主要應(yīng)用流體動(dòng)力學(xué)軟件FLUENT進(jìn)行新疆G水電站水斗式水輪機(jī)配水環(huán)管水力特性模擬分析。任何流體在流動(dòng)過程中均受到能量守恒、動(dòng)量守恒及質(zhì)量守恒等物理守恒定律的支配，一旦在流體流動(dòng)過程中新加入不同成分并發(fā)生不同成分的相互作用，還必須遵循組分守恒定律支配[1]。本研究所分析的主要是不考慮能量交換的單一流體恒定流動(dòng)，故只需遵循動(dòng)量守恒和質(zhì)量守恒定律即可。

質(zhì)量守恒方程的一般形式表示如下：

(1)

該公式對(duì)于可壓流動(dòng)和不可壓流動(dòng)均較為適用，Sm為從分散的二級(jí)相中引入至連續(xù)相的質(zhì)量源項(xiàng)，其也可以是任意自定義源項(xiàng)。

慣性坐標(biāo)系內(nèi)i向動(dòng)量守恒方程可表示如下：

(2)

式中：P為靜水水流壓力；ρgi為i向重力體積力；Fi為i向外部體積力，包括了多孔介質(zhì)及自定義源項(xiàng)；ui為流速；τij為應(yīng)力張量分量，主要通過下式表示：

(3)

為進(jìn)行水電站水輪機(jī)紊流脈動(dòng)影響，當(dāng)前較為常用的是時(shí)間平均法，即將紊流運(yùn)動(dòng)視為時(shí)間平均流動(dòng)與瞬間脈動(dòng)的疊合，并將紊流脈動(dòng)分離出來后進(jìn)一步分析。時(shí)間平均法公式為：

(4)

忽略密度變化后便可得到時(shí)間平均狀態(tài)下動(dòng)量守恒和質(zhì)量守恒方程，表示如下：

(5)

(6)

以上全部公式中共包括10個(gè)未知量，方程數(shù)量?jī)H為6個(gè)，且方程組為不封閉狀態(tài)，為此必須構(gòu)建湍流模型，并通過不同湍流方程和動(dòng)量守恒及質(zhì)量守恒方程的結(jié)合，組成不同水力特性的湍流模型才能進(jìn)行求解。具體而言，雙方程湍流模型復(fù)雜性適度，可通過有限體積法、全隱式方案等對(duì)湍流流場(chǎng)方程組離散化處理，構(gòu)建所對(duì)應(yīng)的離散方程并求解，雖然此類處理方式在浮力流和旋轉(zhuǎn)流等模擬的過程中異性湍流方面還存在問題，但完全能通過修正改善其異性湍流預(yù)報(bào)[2]。文章在數(shù)值模擬過程中主要根據(jù)進(jìn)口流量及壓力分別通過速度進(jìn)口邊界和壓力進(jìn)口邊界模擬進(jìn)口水力性能，同時(shí)應(yīng)用壁面函數(shù)模擬壁面水力性能。

2 數(shù)值模擬對(duì)象

新疆G水電站3號(hào)機(jī)于2014年投產(chǎn)，水輪機(jī)為立軸沖擊水斗式水輪機(jī)組，采用立軸、三相、50Hz、空冷可逆式同步發(fā)電電動(dòng)機(jī)。文章數(shù)值模擬對(duì)象為該水電站立軸沖擊水斗式水輪機(jī)組6個(gè)出口的配水環(huán)管，該環(huán)管為環(huán)形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，且6個(gè)配水環(huán)管與主軸形成60°夾角，結(jié)合配水環(huán)管實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸并采用Pro/ENGINEER軟件所構(gòu)建的三維實(shí)體圖具體見圖1所示，其彎曲、分岔的變斷面結(jié)構(gòu)特征十分明顯。其中，1-5#出口和環(huán)管共同構(gòu)成岔管結(jié)構(gòu)，各岔管均安裝有緊固及分流作用的加強(qiáng)肋板，且肋板幾乎全部置于管內(nèi)，以承受軸向拉力為主，可顯著改善肋板受力結(jié)構(gòu)。該配水環(huán)管額定流量23.65m3/s，設(shè)計(jì)水頭Hr為580m，進(jìn)口直徑D為1.7m，1-6#出口側(cè)管斷面直徑Di均為0.82m。

立軸沖擊水斗式水輪機(jī)組配水環(huán)管所發(fā)揮的作用類似于混流式電站蝸殼，水流在流進(jìn)噴嘴前會(huì)均勻分配至6個(gè)噴嘴；配水環(huán)管對(duì)水輪機(jī)效率也發(fā)揮著巨大作用，其自身水力損失不大，但是其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)行的優(yōu)劣對(duì)噴嘴射流質(zhì)量有較大影響：設(shè)計(jì)不好，會(huì)形成較為復(fù)雜的流道，強(qiáng)烈湍流形成后噴嘴處便會(huì)形成不均勻流場(chǎng)，增加射流組織的紊亂性。為此，必須加強(qiáng)配水環(huán)管結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以減少內(nèi)部水力損失，優(yōu)化其射流效率。優(yōu)化的思路主要在于，應(yīng)控制流道長(zhǎng)度和曲率，并保證水流在其間流動(dòng)的速度最小，且水流流入噴嘴前保證均勻流場(chǎng)無漩渦。故本研究進(jìn)行立軸沖擊水斗式水輪機(jī)組配水環(huán)管全部管道的模擬，并深入分析引發(fā)管道內(nèi)部不均勻流場(chǎng)和旋渦的原因，優(yōu)化配水管網(wǎng)結(jié)構(gòu)，避免發(fā)生無謂的水力損失[3]。

圖1 配水環(huán)管三維實(shí)體圖

通過非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格進(jìn)行該幾何外形特殊的配水環(huán)管網(wǎng)格劃分，劃分間距100，網(wǎng)格總數(shù)360000，擬定不同工況進(jìn)行了Qr、0.75Qr、0.5Qr等環(huán)管流量情況的模擬，并且在環(huán)管流量為Qr且1-6#出口全部開啟的工況下還加入了無肋板的情況。通過1-6#出口兩兩組合開啟及四四組合開啟等措施有效避免該立軸沖擊水斗式水輪機(jī)主軸徑向不對(duì)稱水推力的出現(xiàn)。

3 數(shù)值模擬結(jié)果

通過FLUENT軟件所得到的水輪機(jī)進(jìn)出口總壓之差進(jìn)行該立軸沖擊水斗式水輪機(jī)配水環(huán)管至各出口水利損失的計(jì)算，總壓由靜水壓力和動(dòng)水壓力等構(gòu)成。不同工況下該立軸沖擊水斗式水輪機(jī)水力損失模擬結(jié)果詳見表1，表中1/6Qr指1-6#出口依次單獨(dú)開啟工況；2/6Qr指兩兩組合開啟工況，依次為1#和4#組合開啟、2#和5#組合開啟、3#和6#組合開啟；4/6Qr指四四組合開啟工況，依次為1#、2#、4#和5#組合開啟、2#、3#、5#和6#組合開啟、1#、3#、4#和6#組合開啟。為加強(qiáng)局部水力損失情況的模擬，還在配水環(huán)管各岔管進(jìn)出口段截取了多個(gè)斷面。表中水力損失模擬結(jié)果取0表示該出口處于關(guān)閉狀態(tài)。

表1 立軸沖擊水斗式水輪機(jī)水力損失模擬結(jié)果

通過對(duì)上表中水力損失模擬結(jié)果的分析可知，進(jìn)口及所有出口水力損失均值均隨流量增大而呈增加趨勢(shì)，0.5Qr工況下水力損失為Qr工況水力損失的24.5%，0.75Qr工況下水力損失為Qr工況水力損失的50%。除了6#出口外，其余出口與進(jìn)口的距離越遠(yuǎn)，則水力損失越大；水流流經(jīng)5#出口時(shí)達(dá)到最高水平，經(jīng)過6#出口后水力損失下降，降幅達(dá)到14%。除配水環(huán)管內(nèi)肋板結(jié)構(gòu)外，其余工況下水力損失均值均在2.8%范圍內(nèi)，表明肋板設(shè)置后對(duì)配水環(huán)管能量性能并無較大影響。

立軸沖擊水斗式水輪機(jī)配水環(huán)管管路內(nèi)水力損失包括沿程水頭損失和局部水力損失兩個(gè)部分。沿程水頭損失主要與管道長(zhǎng)度有關(guān)，而局部水力損失則主要受管路形狀的影響較大，且通常出現(xiàn)在管徑變化急和管路分岔等位置，其水力損失量一般>沿程水頭損失。表1中立軸沖擊水斗式水輪機(jī)水力損失模擬結(jié)果顯示，在各種工況下1#出口水力損失均相對(duì)較小，通過分析原因發(fā)現(xiàn)，與其余出口相比，水流在首個(gè)分岔管分流前主要表現(xiàn)為均勻流，并平穩(wěn)進(jìn)入分岔管，在無折管的影響下?lián)p失較小。對(duì)于6#出口而言，水流在其環(huán)管內(nèi)緊貼外側(cè)壁面流動(dòng)，因不流經(jīng)分岔管，故無劇烈變化。6#出口雖然水流流經(jīng)路程最遠(yuǎn)，但從進(jìn)口至6#出口的水力損失比從進(jìn)口至5#出口的水力損失小。

根據(jù)以上對(duì)出口開啟的不同組合方案進(jìn)行水力損失數(shù)值模擬還可以看出，僅有1個(gè)出口開啟的工況下，1#和2#出口處水力損失最小，均為0.34m，且比水力損失最大的1.30m小0.96m；兩個(gè)出口同時(shí)開啟的工況下，1#和4#出口同時(shí)開啟時(shí)水力損失最小，均值為0.14m，比3#和6#出口同時(shí)開啟時(shí)水力損失小0.20m；四個(gè)出口同時(shí)開啟工況下，1#、2#、4#和5#出口組合同時(shí)開啟時(shí)水力損失最小，均值為0.59m，比2#、3#、5#和6#組合開啟工況下水力損失小0.53m。

4 結(jié) 論

綜上所述，通過對(duì)G水電站3號(hào)立軸沖擊水斗式水輪機(jī)配水環(huán)管包括從進(jìn)口至6個(gè)出口的全流道所進(jìn)行的三維定常湍流數(shù)值模擬分析，得到了該種類型水輪機(jī)配水環(huán)管水力損失受流量影響的具體結(jié)論，即從進(jìn)口開始直至各出口處，水力損失均值均隨流量的增大而呈增加態(tài)勢(shì)；在此基礎(chǔ)上還得出配水環(huán)管水力損失程度與管路形狀及長(zhǎng)度密切相關(guān)的結(jié)論。本研究立足水電站立軸沖擊水斗式水輪機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況，對(duì)出口不同開啟組合方案下水力性能數(shù)值的模擬及分析，對(duì)于水電站水力損失的控制及水輪機(jī)高效運(yùn)行具有借鑒參考價(jià)值。