混流式水輪機啟動過程中流場相干結構分析

蘇立 毛成 沈春和 文賢馗

摘要：

為研究混流式水輪機啟動過程中轉輪區(qū)及尾水管流場特征，利用數(shù)值模擬方法，開展了混流式水輪機的全流道非定常數(shù)值研究，揭示了混流式水輪機在不同工況下啟動過程中葉輪區(qū)的速度特征與流場中瞬態(tài)變化的流動特性。研究表明：額定工況下水輪機的導葉區(qū)流速沿流道均勻增大且平緩無沖擊，蝸殼流道內無明顯分離或渦流。啟動過程中水流相對速度方向與轉輪區(qū)內流動方向不一致，尾水管的相干結構最初為大尺度渦結構，隨著水流沖擊載荷的增大逐步將剛形成不久的大尺度渦結構沖散，隨后將邊緣的小尺度渦整合形成細長而穩(wěn)定的渦帶結構。研究結論有助于更好地了解混流式水輪機啟動過程中的內流動演變特征以及尾水管的渦帶特征。

關 鍵 詞：

混流式水輪機； 渦結構； 流場特征； 啟動過程

中圖法分類號： TK733

文獻標志碼：

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.08.027

0 引 言

水力發(fā)電是實現(xiàn)“碳達峰”與“碳中和”的重要途徑之一，而水輪機是水力發(fā)電的重要裝備之一。近年來，風能、太陽能和潮汐發(fā)電等間歇性能源并入電網(wǎng)，這就不可避免地導致電網(wǎng)系統(tǒng)不穩(wěn)定，水輪機在調峰調頻方面發(fā)揮了越來越重要的作用。頻繁的調節(jié)需要水輪機在設計點之外運行，給機組安全運行帶來了一定的挑戰(zhàn)，如高幅度的壓力脈動［1-2］、渦流破裂［3］、空化［4-5］、共振和動靜交互［6-9］等。文獻［10-11］指出，調峰調頻水輪機每年可能經(jīng)歷500多次啟停循環(huán)，這遠超它的設計循環(huán)次數(shù)。毫無疑問，機組的頻繁啟動以及非設計工況可能導致設備產(chǎn)生振動與部件失效。因此，開展混流式水輪機啟動過程中流場的相干結構研究，分析蝸殼與尾水管流場流態(tài)，了解啟動過程對機組性能的影響具有重要意義。

關于不同工況對混流式水輪機性能影響的研究，業(yè)界內學者已開展了較為豐富研究。如Gagnon等［12］研究了不同工況對混流式水輪機疲勞壽命的影響，給出了可以提高水輪機使用壽命的優(yōu)化方案。Nicolle等［13］通過數(shù)值模擬方式研究了低水頭混流式水輪機導葉開度對機組性能的影響，較好地捕捉到流道和尾水管的流動特性，并將數(shù)值結果與試驗結果進行了對比驗證。Trivedi等［14］利用試驗手段研究了導葉開啟方式對高水頭混流式水輪機啟動過程的影響。Unterluggauer等［15］研究了兩種導葉的常規(guī)開度方案和降低開度的極限方案，給出了降低開度方案可以明顯降低疲勞損傷的結論，并對水輪機的渦量場進行了分析，給出了葉道渦比尾水管渦對結構動應力的影響要大的結論。

實際上，水輪機啟動過程產(chǎn)生的瞬變渦流及伴隨產(chǎn)生的振動同樣被認為是導致水輪機疲勞損傷破壞的運行條件之一［12］，盡管試驗研究是評估水輪機流場的重要手段，但成本高昂，且在可獲得性和測量流動細節(jié)方面存在許多限制。而數(shù)值模擬手段可彌補上述缺陷。對此，本文基于數(shù)值模擬方法對混流式水輪機啟動過程中的瞬變流及其脈動進行了分析研究，以揭示水輪機啟動過程中蝸殼內流態(tài)及尾水管內渦帶的特征。

1 模型與網(wǎng)格劃分

1.1 三維模型

以混流式水輪機HLA551c-WJ-71為原型建立三維數(shù)值模型，導葉由13個葉片、雙層24個活動導葉與11個分流固定導葉組成。混流式渦輪機的示意圖如圖1所示，具體參數(shù)如下：

蝸殼最大直徑D1? ? ? ? ?896 mm

蝸殼最大直徑D21181 mm

蝸殼包角αc345°

蝸殼進口直徑D3840 mm

葉輪直徑D4704 mm

葉片數(shù)Z13

固定導葉最大圓直徑D5826 mm

活動導葉最大圓直徑D6984 mm

活動導葉數(shù)ZG24

固定導葉數(shù)ZS11

比轉速ns279

額定水頭H/m32

1.2 網(wǎng)格剖分

根據(jù)圖1的水輪機示意圖，結構分為蝸殼區(qū)、導葉區(qū)、葉輪區(qū)、尾水管區(qū)4個區(qū)域。由于轉輪區(qū)流道的復雜性，本文采用混合網(wǎng)格進行剖分，其網(wǎng)格如圖2所示。同時以穩(wěn)定狀態(tài)下的飛逸轉速作為評價標準進行了網(wǎng)格無關性檢驗（如表1所列）。結果表明，網(wǎng)格數(shù)在140萬～270萬之間，飛逸轉速波動到1%以下，網(wǎng)格數(shù)的量級滿足計算精度要求。

1.3 邊界條件

對于啟動狀態(tài)下的變速運動，本文采用STAR-CCM+的六自由度DFBI（Dynamic Fluid Body Interaction）運動模型來模擬剛體與流體相互作用下的運動。本文以額定流量為進口條件，出口設置為靜壓出口。采用SST k-ε湍流模型模擬不同工況下的內部流動情況［16-19］。在多相流方面，將純水和25 ℃水蒸氣分別設置為氣液兩相介質，設置空化的飽和蒸汽壓為3 540 Pa。對于進口條件，純水和蒸汽的體積分數(shù)分別設置為1和0。旋轉域和靜態(tài)域通過界面建模方法結合，采用凍結轉子模型，整體計算殘差設定為10-5。由于啟動狀態(tài)為變速過程，因此步長不再與葉輪旋轉角度關聯(lián)，穩(wěn)態(tài)計算時間步長設置為10-3 s。

在水輪機啟動過程中導葉與轉輪區(qū)域速度場如圖5所示。圖5為啟動過程中轉輪速度達到飛逸轉速一半時的速度矢量圖（飛逸轉速vmax為軸端負荷力矩為零時的最高轉速，即v=0.5vmax）。由圖可見，相對速度方向與轉輪內流動方向并不相同，導致轉輪入口處沖擊嚴重，且在流道之間存在回流，這將導致渦及渦空化等危害性現(xiàn)象（圖5中紅色箭頭所示）。這些問題從一方面來說，會使轉輪所獲得的動能減小，水電轉換效率降低；另一方面葉道渦也可能引發(fā)結構共振以及在流體內產(chǎn)生低壓進而發(fā)生空化，從而導致機組關鍵部件損壞。

同時，為了分析轉輪葉道流體的流動特性，圖6為不同葉片高度下橫截面上的流動速度和流向（S=0～1表示從轉輪流道最內圈帶到流道最外圈的距離）。由圖6可知：轉輪出口處的相對速度較小，但流道內流線混亂，這將導致流體不能順利地流出轉輪，進而影響流體順利進入尾水管。

2.2 尾水管的流場與渦量分析

流體流經(jīng)固定導葉和活動導葉后進入轉輪區(qū)，在轉輪內發(fā)生能量交換，之后流體流入尾水管。進入尾水管的流體流態(tài)對尾水管結構有很大影響。在水輪機啟動過程中，水流在葉輪靜止狀態(tài)時順著導葉與葉片間的流道流動，形成三維扭曲的渦流結構，此時的大尺度渦出現(xiàn)在尾水管的頂部，

如圖7（a）、（b）所示。隨著水流沖擊導葉與轉輪葉片，渦輪機負荷增加，不斷增長的流速以及不斷扭曲的流場沖散了渦結構，大尺度渦部分消失，取而代之的是在流道下游形成拉長的渦帶結構以及附著于邊緣的小尺度渦，如圖7（c）、（d）所示。由文獻［24］可知：這是由于向下旋流區(qū)域和分離的向上流動區(qū)域之間的剪切層不穩(wěn)定造成的。隨著轉速的不斷增加，渦流結構不斷發(fā)展和擴展，不穩(wěn)定的渦旋結構逐漸合并形成一個較大且較為穩(wěn)定的相干結構，完全整合后的中央渦流變得更加穩(wěn)定，并向管中心移動。

從圖7的流線分析可知：在水輪機啟動狀態(tài)下，圍繞中心軸旋轉的小渦旋合并成一個穩(wěn)定的細長渦旋，附著在轉輪中心軸下方，而在尾水管下游靠近彎頭處，存在一個顯著的渦流大范圍分離的流場（如圖8（a）～（f）所示）。這種存在于尾水管彎頭上游的大型持續(xù)渦旋結構將導致低頻脈動的產(chǎn)生，同時對流體機械的使用壽命也會有影響。

3 結 論

（1） 水輪機從啟動狀態(tài)到額定工況的過程中，僅在穩(wěn)定的高效率點運行時水流相對速度方向與轉輪內流動方向才相一致，其余工況下水流相對速度方向與轉輪內流動方向不同，這將導致水流沖擊能量的損耗以及流體回流產(chǎn)生渦旋。

（2） 尾水管中形成的復雜流動結構具有較強的俯沖效應，葉輪轉速的逐步增加將使尾水管的相干結構不斷改變，演變過程為大尺度渦結構→渦帶結構以及附著于邊緣的小尺度渦→穩(wěn)定的渦帶結構。

（3） 在葉輪低轉速條件下，尾水管內可觀察到較大的持續(xù)渦結構。隨著轉輪速度逐漸增大，不穩(wěn)定渦結構將會整合并且達到細長而穩(wěn)定的渦帶狀態(tài)。從渦量角度考慮，低速狀態(tài)下不穩(wěn)定的大尺度渦的頻繁生成與脫離是低頻振蕩的主要原因。

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（編輯：鄭 毅）

Abstract：

In order to study the flow field characteristics of runner area and draft tube during the start-up of Francis turbines，we use the numerical simulation method to carry out the unsteady numerical study on the whole flow channel of a Francis turbine，and reveal the speed characteristics of impeller and the transient flow characteristics in the flow field during the start-up of the Francis turbine under different working conditions.The research show that the flow velocity in the guide vane area of the turbine increases uniformly and smoothly without impacting along the flow channel under rated working conditions，and there is no obvious separation or vortex in the volute flow channel.However，during the start-up process，the relative velocity direction of the water flow is in consistent with the flow direction in the runner area.The coherent structure of the draft tube is initially a large-scale vortex structure.With the increasing impact load of the water flow，the newly formed large-scale vortex structure is gradually dispersed，and then the small-scale vortex at the edge is integrated to form a slender and stable vortex rope structure.The research results can help to better understand the evolution characteristics of internal flow and the vortex characteristics of draft tube during the start-up of Francis turbines.

Key words：

Francis turbine；vortex structure；flow field characteristics；start-up