低比轉速混流式水輪機部分負荷內部流場模擬分析

劉振龍

(新疆額爾齊斯河投資開發(fā)(集團)有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引 言

隨著我國水能資源的開發(fā)程度提升以及光伏、風電等新能源的大力發(fā)展，“風光水互補運行”成為大趨勢，水電站在大電網中承擔的調峰、調頻和旋轉備用待機任務更加艱巨，水輪機組也不可避免頻繁地在部分負荷、甚至超低部分負荷的情況下運行?！叭摵煞秶\行”成為新建水電站和改造水電站的重點和難點。

水力設計作為水輪機設計的核心技術，從根本上決定著機組乃至電站的穩(wěn)定運行能力。對于水電站來說，若機組的過流部件設計不當，容易導致運行時出現(xiàn)水力特性不佳的情況，直接造成過流部件的破壞失效，同時影響發(fā)電的效率。所以，對水輪機過流部件進行優(yōu)化設計，改善內部流場的水力特性、提升機組的發(fā)電效率，對于減輕過流部件的破壞程度、提升機組的運行穩(wěn)定性以及提高電站的經濟效益都具有良好的價值。針對水輪機內部流態(tài)問題，史廣泰等證明了在大開度工況下尾水管內部出現(xiàn)周期性空化渦帶，其次隨著導葉開度增大，轉輪葉片受到的空蝕破壞越嚴重[1_2]。楊昌明等采用數(shù)值模擬方法對混流式水輪機進行全流道非定常數(shù)值計算，并對活動導葉與轉輪之間相互干涉情況下進行了模擬分析[3]。馬強等采用CFD數(shù)值模擬手段對不同導葉開度工況下長短葉片混流式水輪機的壓力脈動進行了研究[4]。

本文選取混流式水輪機偏離最優(yōu)工況較遠的部分負荷工況，對水輪機在最大水頭、最小水頭和額定水頭3種工況下的內部流場進行數(shù)值模擬，并對水輪機轉輪及尾水管部分內部流場進行相應的分析。

1 混流式水輪機及數(shù)值計算方法

1.1 研究對象

以某生態(tài)基流電站混流式水輪機為研究對象。由于生態(tài)流量泄放要求隨月度進行調節(jié)，水輪機需長期運行在50%額定出力以下。因此建立相應模型，對超寬負荷混流式水輪機水力性能進行研究分析(見表1)。

表1 混流式水輪機基本參數(shù)

基于水輪機設計參數(shù)，通過三維建模軟件，對水輪機進行三維建模。轉輪直徑D1=1.54 m，轉輪葉片數(shù)Zb=15+15，固定導葉數(shù)Zc=23，活動導葉數(shù)Z0=24，導葉相對高度b0/D1=0.167。

選取偏離最優(yōu)工況較遠的部分負荷工況，并包含了運行范圍內最大、最小水頭，其計算工況點如下所示(見表2)。

表2 所選工況信息

1.2 計算分析方法

為了更全面地考慮各過流部件之間的相互影響，本文包含蝸殼、導葉、轉輪以及尾水管的流動計算。計算中采用六面體單元劃分導葉、轉輪、尾水管的網格，對于蝸殼和固定導葉則采用四面體單元劃分網格。充分考慮計算精度以及計算效率的影響，最終確定水輪機轉輪域總網格數(shù)約500萬，均方根殘差收斂到10-4。

采用有限體積方法對控制方程離散，時間項離散采用二階全隱式格式，擴散項和壓力項采用中心差分格式離散，對流項采用二階迎風格式。壓力和速度方程采用全耦合求解技術。

本研究在數(shù)值模擬時采用RNG k_ε湍流模型。相比較于標準k_ε模型來說，RNG k_ε模型對于旋轉模型的計算結果更符合實際情況。RNG k_ε模型是從瞬態(tài)N_S方程中推導出的，使用重整化群方法，對瞬變流和流線彎曲的影響能作出更好的反應。其輸運方程為：

式中，C1ε=1.42，C2ε=1.68，Gk表示平均速度梯度引起的湍動能的產生；Gb是由浮力產生的湍流動能；YM表示可壓縮湍流中波動膨脹對總耗散率的貢獻；Sk和Sε為用戶自定義的源項。

2 仿真及模型試驗結果與分析

根據(jù)混流式水輪機模型，對幾種典型工況進行CFD計算以及模型試驗，并對計算結果進行相應的比較分析(見圖1～圖12)。

圖1 轉輪內部流線分布

圖2 轉輪速度矢量分布

圖3 轉輪葉片壓力分布

圖4 轉輪內部湍動能分布

從圖1、圖2中可以看出，在工況點1中，由于工作原型工作水頭較高，各流面翼型頭部的入流為正沖角，在中間流面處，葉片背面不存在明顯的回流、渦流現(xiàn)象，轉輪內部的流態(tài)比較合理，但在尾部的流動中存在著較小的渦量。圖3為轉輪中間流面上的總壓分布，其中總壓降主要集中在翼型的頭部及中部，而在葉片的出水邊處基本上沒有總壓降；可見能量轉換在沿流線方向上的分布不均勻，使得轉輪的效率存在一定程度的降低。進一步分析混流式水輪機部分負荷工況轉輪中截面流場的穩(wěn)定性，對相應工況典型轉輪中截面的湍動能進行分析；由圖4可知，轉輪中截面內較大湍動能主要分布于葉片前緣、中部吸力側區(qū)域和葉片尾跡區(qū)域。這是由于水流入流角度偏大，在葉片背部以及尾部區(qū)域的湍動能都有所提高。

圖5 轉輪內部流線分布

圖6 轉輪速度矢量分布

圖7 轉輪葉片壓力分布

圖8 轉輪內部湍動能分布

在工況點2中，即在額定水頭工況下，中間流面翼型的頭部沖擊明顯改善，水流平順進入轉輪之中，未發(fā)生明顯的撞擊以及脫流現(xiàn)象，在此附近區(qū)域轉輪應具有較高的效率。相較于工況點1，此工況下沿流線的總壓降分布更為均勻，其工作效率相應提升。由圖8可知，轉輪中葉片各個區(qū)域的湍動能均有明顯降低，截面內較大湍動能主要分布于中部及葉片尾跡區(qū)域。

圖9 轉輪內部流線分布

圖10 轉輪速度矢量分布

圖11 轉輪葉片壓力分布

在工況點3中，工作水頭降低，在中間流面位置，入流角為負沖角，易引起工作面的脫流，使在相應工況下轉輪的入流狀態(tài)受到影響。從圖9、圖10中可以看出，水流質點牽連速度的分量增加，部分水流對下一個葉片的受壓面產生沖擊，使得水流葉片兩側均出現(xiàn)了一定程度的渦量，對轉輪的效率產生影響。對中間流面的壓力進行分析，可以看出葉片的正背面壓力相近，未起到能量轉換的作用，在此工況下翼型的效率很低。同時，由于部分水流對下一個葉片的沖擊，在轉輪葉片中部區(qū)域吸力側以及尾跡區(qū)域，形成了一定程度的湍動能集中。

圖12 轉輪內部湍動能分布

對該水輪機進行模型試驗，并在各水頭對應空化系數(shù)條件下，進行了葉道渦流動狀態(tài)觀測。各計算工況點于模型試驗中未出現(xiàn)可見葉道渦。額定水頭工況水輪機效率較高，最小水頭工況效率最低，與計算規(guī)律基本吻合(見圖13)。

圖13 水輪機模型綜合特性曲線

圖13中，Q′=Q11/Q11o，n′=n11/n11o，η′=η/ηo；Q11、n11、η分別為單位流量、單位轉速及效率，Q11o、n11o、ηo分別為最優(yōu)單位流量、最優(yōu)單位轉速以及最優(yōu)效率。

3 結 論

通過CFD分析部分負荷工況水輪機轉動部件內部流動狀態(tài)可以看出，在偏離最優(yōu)工況較遠的部分負荷工況，轉輪來流隨水頭變化在進口形成不同的沖角，葉道間湍動能增加，葉片正背面壓力差減小，導致水力比能向機械比能的轉換效率降低。流動分析可以表征轉輪葉道間存在渦量，但結合模型試驗結果可知，相應工況下未生成可見葉道渦。對可見葉道渦的進一步分析，需要結合水輪機設計空化條件，開展定量研究工作。