襟翼長度對混流式水輪機空化性能的影響

李雅麗,劉云琦

(1.商洛市商州區水利工作站,陜西 商洛 726000;2.河北省應急物資供應中心,河北 石家莊 050000)

可再生能源中,水電是目前唯一能實現商業化大規模應用的能源。尤其是隨著煤炭等不可再生資源大規模開采利用導致的能源危機,水電作為具有更強優勢的清潔可再生能源,對于推動我國經濟建設和社會可持續發展具有著重要作用[1-3]。在我國大部分水電站中,混流式水輪機以其結構緊湊,可以適應相對較寬的水域,制作工藝成熟等優點,占據著我國水電站機組的主導位置[4],但是混流式水輪機仍存在著自身無法克服的弱點即空化,空化是水力機械運行過程中存在的常見問題,水輪機在長期處于空化運行狀態或在空化和磨蝕的協同作用下,會導致水輪機組運行效率顯著降低,同時還會縮短機組的使用壽命,對水輪機的穩定運行產生不利影響,甚至引發危害生命財產的安全事故[5-8]。

目前,國內外學者對水輪機空化性能進行了相關研究,有學者利用仿真軟件對水輪機空化區域進行了預測,楊宛利[9]用CFX軟件對水泵水輪機轉輪在發電、抽水工況進行數值模擬,經過研究發現水輪機工況下,空化現象最容易在轉輪葉片吸力面出口邊靠近下環的位置發生;相較于單相流體模型,黃劍峰等[10]采用歐拉-歐拉方法中的均勻多相流假設混合兩相流體無滑移模型,并利用Fluent軟件對混流式水輪機的全流道進行了數值模擬,研究表明,與單相流體模型相比,多相流模型能夠更好地模擬水輪機內空化現象的多相流動情況。

水輪機實際運行的水域中常常有泥沙顆粒的存在,泥沙顆粒會加劇生成水中的空化核,從而加重空化的發生,Dinesh等[11]對水輪機運行過程中含沙水進行研究,試驗表明水輪機運行過程中泥沙水對水輪機的工作運行有磨蝕作用;杜同[12]通過實驗對比單獨的泥沙磨損、空化及泥沙磨損與空化聯合作用的效果,發現單獨的泥沙磨損只能讓過流部件表面變的更加光滑,而空化磨損的聯合作用則會產生魚鱗坑,加速磨蝕;劉正勇等[13]對黃河流域混流式水輪機葉片的磨蝕情況進行調研,發現磨蝕通常發生在葉片正、背面,以葉片進口邊背面靠下環轉彎處及正面出水邊區靠近下環處最為嚴重。嚴欣等[14]通過研究襟翼高度對混流式水輪機轉輪空化特性的影響,結果表明小流量 0.6Qd和0.8Qd工況下,襟翼高度為30 mm時空化改善最明顯。

在仿生學的啟示下,研究人員受到鳥類飛行和魚類游動時通過拍打翅膀或尾翼控制渦流以改善前行性能的啟發,提出并研究了一種帶有擺動小翼(又稱襟翼)的開槽葉片設計方法,并對其進行了研究,劉洋等[15]通過對槳葉加裝襟翼,再對其動態失速模型進行數值模擬,發現襟翼的存在可以有效改善槳葉的動態失速特性;Yeonjoong等[16]通過對擬建壩(即帶襟翼的閉式壩)的水力特性的研究,試驗數據表明,與無襟翼的閉式壩相比,有襟翼壩具有捕捉大孤石泥石流的優勢,同時水壩由于有襟翼結構的存在可通過水流循環控制總壓。

流體機械領域內,加裝襟翼的實質在于通過改變翼型的彎曲度來改變流場,從而達到控制流場的目的;在工程應用領域,襟翼結構已經在航空航天領域和水翼船方面得到廣泛的應用,馬祺敏等[17]研究發現在風力機S809翼型的吸力面添加襟翼可以以抑制繞流流動分離,風機在不同攻角等條件下,升阻比和升力最大可分別提升53%和41.8%,周暢[18]以螺旋軸流式氣液混輸泵為研究對象,借鑒機翼襟翼增升裝置設計方法,對葉輪葉片翼型進行合改型設計,結果表明改型后的泵降低了葉輪入口處流體沖擊及葉輪出口附近流道內氣堵現象造成的能量損失,提升氣液混輸泵的混輸效率。襟翼在工程應用領域得到了較為廣泛的應用,因此通過添加襟翼改造水輪機葉片來改善空化性能是有一定研究價值的。

目前現有的有關襟翼結構的文獻研究主要集中在剛性整體翼型的水翼結構上,翼型采用的都是標準翼型,研究方向集中于運動形式、流場條件、水翼的陣列結構等等,對于襟翼尺寸改型的研究、襟翼結構對水輪機的空化性能的研究還不夠深入。

因此,本文增加轉輪葉片的襟翼結構,在空化基礎上考慮含沙水的磨蝕作用,采用多相流模型,運用CFX軟件對HLX180-LJ-145混流式水輪機的全流道進行三維定?？栈牧鲾抵的M,旨在深入探究流道內部的空化部位及空化程度,進行水輪機運行工作介質與水輪機轉輪空化特性關聯性的分析,研究混流式水輪機增加襟翼對轉輪空化性能的影響。

1 計算模型與網格劃分

1.1 計算模型及設計參數

以某水電站型號為HLX180-LJ-145的混流式水輪機為研究對象,使用UG軟件對水輪機進行全流道建模,模型三維實體圖如圖1,表1選用的混流式水輪機真機運行時的基本參數。水輪機模型機轉輪直徑為360 mm,工作水頭為30 m。

表1 水輪機基本參數

圖1 水輪機三維實體圖

1.2 數值計算方法

使用ANSYS CFX軟件對水輪機進行氣液兩相和固-液-氣三相耦合計算。選用水輪機真機運行所處的河流的年平均泥沙濃度10.45%和泥沙平均粒徑為0.028 mm。在數值模擬計算時,設置泥沙顆粒體積濃度為10%,平均粒徑為0.03 mm。

多相流模型采用Euler-Lagrange模型,模型把流體相作為連續相,運用歐拉法創立流體相的連續性、動量以及能量守恒方程,泥沙顆粒作為離散相,建立離散相的拉格朗日方程,可以更方便的模擬具有復雜運動的顆粒相。

本文主要研究水輪機多相流體介質的交互作用。為了更精確且符合實際地描述水機多相流體介質的流動狀態,選用SSTk-ω湍流模型進行數值模擬。

耗散率ω和湍動能k方程為:

(1)

(2)

(3)

式中:ρ為流體密度;k為湍流動能;t為時間;u為流體速度;x為空間坐標;μ為動力黏度;σ*為模型相關的常量,0.5;μT為湍流黏度系數;σ為模型相關的常數,0.5;β*為模型相關的常數,0.09;ω為耗散率;Pk為湍流生成項;Cω1為模型相關的常數,5/9;Cω2為模型相關的常量,0.075;i,j為坐標方向。

在選擇空化模型時,我們采用了Zwart空化模型。該模型基于輸運方程而提出,可以與所有湍流模型兼容使用。模型的關鍵參數包括空泡直徑、成核點體積分數、蒸發系數及凝結系數。該模型已被商業軟件CFX以及FLUENT廣泛應用,應用范圍較廣[19]。

(4)

1.3 數值計算邊界條件

數值計算時邊界條件設置為:

(1) 進口條件:蝸殼進口采用質量流量。

(2) 固體壁面:采用無滑移光滑絕熱壁面。

(3) 轉輪動靜交界面:轉輪域的動靜交界面采用Frozen Rotor。

(4) 出口條件:通過尾水管降壓來進行,尾水管出口采用靜壓力。

空化計算時由1 atm開始每次降低0.1 atm來進行研究。氣液兩相流計算時,氣相選擇為Water Vapour at 25 ℃,空化壓力為3 540 Pa,時間步長為0.01 s,平均殘差小于10-5。

1.4 網格劃分及無關性驗證

采用ICEM CFD軟件對水輪機進行結構化網格劃分,同時對重要壁面和邊界層進行加密處理。加襟翼轉輪網格圖和局部圖如圖2所示。

圖2 加襟翼轉輪計算域網格劃分

為了提升計算效率,在Qd工況點選取了五種網格數進行數值計算。圖3展示了效率和輸出功率隨著網格數的增加而逐漸增加的趨勢。當網格數達到6.5×106后,效率保持穩定不變,表明已經獲得了網格無關解。表2列出了達到網格無關解后各過流部件的網格數和節點數。圖4是轉輪葉片吸力面的y+圖,最大y+值為9.758,滿足數值計算對網格的需求。

表2 過流部件網格數

圖3 網格無關性驗證

圖4 葉片吸力面y+

1.5 數值計算工況

水輪機單位轉速n11和單位流量Q11為:

(5)

(6)

式中:n11為單位轉速,r/min;Q11為單位流量,m3/s;n為轉速,r/min;Q為流量,m3/s;D1為轉輪直徑,m;H為工作水頭,m。

選擇最優單位轉速69 r/min對0.8Qd工況和1.0Qd工況點在清水和含沙水水流介質下水輪機的空化性能進行分析研究。兩種工況下活動導葉開度及單位流量如表3所示。

表3 各工況下活動導葉開度和單位流量

1.6 試驗驗證

為了檢驗數值計算的準確性,選取了六個不同的流量工況點,進行了混流式水輪機真機效率試驗。電站真機的運行水頭范圍為97 m～112 m,效率試驗時電站實測水頭為101 m。試驗工況選取設計工況單位轉速為69 r/min,具體方案如表4所示。圖5為試驗與數值計算值對比結果,從整體來看,水輪機真機的效率試驗值和數值模擬值的變化規律基本一致,在數值計算過程中,并未將流道內所有密封間隙所導致的泄漏損失納入考慮范圍[20]。數值模擬值結果略高于試驗值,單位流量0.452 m3/s的工況出現最大誤差,為2.16%,在誤差允許的范圍內,因此認為本文進行的數值計算能夠反映水輪機實際運行過程中的特征。

表4 試驗對比方案

圖5 外特性模擬曲線與試驗曲線

2 襟翼改型方案

在原始轉輪的基礎上,通過在轉輪兩葉片中間的位置增設襟翼結構,并將其固定于轉輪進口靠近下環處,且與轉輪葉片保持平行放置[20],襟翼頭部與轉輪葉片頭部相同,曲率與葉片相同,圖6(a)為襟翼結構在轉輪中的位置,圖6(b)是襟翼長度示意圖。表5是設計的4個襟翼方案,在清水和含沙水介質中,研究襟翼高度為10 mm的方案下,四種不同長度的襟翼(0 mm、60 mm、80 mm、100 mm)對混流式水輪機轉輪在0.8Qd工況和1.0Qd工況點時空化性能的影響。方案1即為無襟翼原型機組。

表5 各方案襟翼個數和襟翼長度

圖6 襟翼結構及襟翼長度

3 結果討論與分析

3.1 襟翼對水輪機能量特性的影響

對比在尾水管出口壓力為1 atm條件下,4種襟翼方案的水輪機的效率。結果如表6,加入襟翼后水輪機的效率降低,0.8Qd小流量工況點清水、含沙水介質效率值分別最大降低1.57%、2.05%;1.0Qd設計流量工況點清水、含沙水介質效率分別最大降低0.89%、1.26%。

表6 不同方案的效率值

效率和空化分別與水輪機經濟效益和使用壽命相關,本文研究襟翼結構對水輪機空化性能的顯著提升作用。水輪機的空化性能是其綜合性能的重要評估標準,空化性能優化后可以延長水輪機的使用壽命,從而有效降低檢修和更換成本,提高運行效率。因此,加入襟翼后水輪機效率稍降低,空化性能顯著提高,在實際工程應用中,綜合考慮襟翼結構的應用對水輪機仍具有重大意義。

3.2 襟翼對水輪機空化性能的影響

空化數值模擬采用對水輪機尾水管出口進行降壓的方法,每次降壓0.1 atm,觀察到在出口壓力由1 atm降至0.4 atm的過程中,水輪機的輸出功率和效率均保持穩定,同時轉輪葉片表面未出現空化現象。當出口壓力降0.3 atm時,設計流量工況點出現明顯的變化,葉片吸力面靠近轉輪出口邊存在大面積空化,小流量工況無明顯變化;當壓力降到0.2 atm時,小流量工況點輸出功率和效率發生明顯變化。

因此,本文對尾水管出口壓力為0.2 atm的0.8Qd小流量工況點和壓力0.3 atm的1.0Qd設計流量工況點在清水和含沙水介質下轉輪的空化性能進行研究。

表7展示了四種襟翼長度方案下轉輪葉片吸力面的最大空泡體積分數量化值,增加襟翼后,轉輪葉片出口邊的最大空泡體積分數均在減小,在0.8Qd小流量工況點,清水介質三種帶襟翼方案空泡體積分數分別相對于無襟翼方案減小10.1%、12.5%、14.0%,含沙水介質空泡體積分數分別相對減小3.6%、5.0%、4.3%;在1.0Qd設計流量工況點,清水介質空泡體積分數分別相對減小6.2%、6.7%、7.5%,含沙水介質空泡體積分數分別相對減小4.4%、4.0%、4.1%。

表7 不同方案的最大空泡體積分數量化表

圖7、圖8分別為清水和含沙水介質不同流量工況、不同方案下轉輪吸力面的空泡分布圖,轉輪葉片吸力面靠近轉輪出口下環處會產生大面積空化,同一流量工況點,含沙水的空泡面積要大于清水介質,泥沙顆粒對水輪機的磨蝕作用使得破壞更加嚴重;同一水流介質,小流量工況點的空泡面積小于設計流量工況點,設計流量工況點水流流速較高,高流速水流對轉輪葉片的沖擊作用較大,空化較嚴重;增加襟翼后,總受壓面積增大,增加了過流面積,轉輪水流得到分流,流經轉輪葉片的水流流量減少,轉輪進口水流速度更為均勻,明顯減小空化發生的強度。

圖7 0.8Qd轉輪葉片吸力面空泡體積分數

圖9、圖10是轉輪葉片吸力面水流流速圖,同一工況點,由于泥沙顆粒對水流的阻礙效應,含有泥沙的水流速度小于清水,然而,在兩種水流介質葉片表面,水流流線并沒有顯著的差異;在原始轉輪進口和轉輪進口下環處,水流流線呈現出相對紊亂的狀態,顯示出水流回流和交匯的現象存在。尤其在小流量工況點,這種現象相較于設計流量工況點更為嚴重。增加襟翼后,襟翼對轉輪進口的來流進行充分分流,促使水流流速增加,葉片表面流動分離延遲,流線紊亂現象減弱。整個流場的流線分布均勻且流暢,這表明加襟翼可以使流場流線更加流暢,從而減小由流場不穩定性引起的脈動,改善水輪機轉輪區域運行的穩定性。

圖9 0.8Qd轉輪葉片吸力面水流流線

圖10 1.0Qd轉輪葉片吸力面水流流線

使用葉柵圖進行轉輪內流態分析時,需要同時顯示出葉片及襟翼,因此采用轉輪內Turbo0.95(轉輪上冠為0,下環為1)高度截面進行分析[20-21]。

圖11和圖12分別展示了在四種襟翼長度方案下,水流速度矢量在轉輪0.95截面處的分布情況。通過對比分析,可以發現以下規律:兩個流量工況點在靠近轉輪出口處均出現了明顯的水流高流速區域,對轉輪出口產生的沖擊相對更大,葉片進口處容易出現脫流現象;在增設襟翼后,加襟翼轉輪的過流通道葉柵稠密度有所增加,導致轉輪進口的來流得到分流,脫流現象有所減弱。此外,轉輪出口邊的水流速度減小,流態得到改善,流道內的能量轉換更為充分,動能得到了更大程度地利用。這些改變使得水流對轉輪的沖擊作用有所減弱,從而改善了空化性能。

圖11 0.8Qd轉輪0.95截面水流速度矢量

圖12 1.0Qd轉輪0.95截面水流速度矢量

圖13為含沙水介質中不同流量工況的轉輪0.95截面泥沙流速矢量圖,設計流量工況點泥沙流速較高、轉輪出口邊高流速區域較多。加裝襟翼后,襟翼對轉輪進口的流動進行了分流,減緩了轉輪域泥沙流速,從而減輕了泥沙對轉輪葉片的沖擊。此外,泥沙顆粒對該區域的磨蝕作用也相應減弱,從而改善了空化性能。

圖13 轉輪0.95截面泥沙速度矢量

4 結 論

通過對四種襟翼長度的水輪機在清水和含沙水介質下的0.8Qd工況和1.0Qd設計流量工況點進行數值計算,分析能量特性、空泡體積分數、吸力面水流流線等相關參數,得出以下研究結論:

(1) 水輪機轉輪域主要在轉輪葉片吸力面靠近出口處發生空化現象。當水流中存在泥沙顆粒時,這些顆粒還會對轉輪葉片產生磨損作用。在空化和磨損的聯合作用下,對轉輪葉片的破壞將會更加嚴重。增加襟翼后,泥沙顆粒對該區域的磨蝕作用也相應減弱,從而改善了空化性能。

(2) 增加襟翼后,轉輪內部的受壓區域有所增加,葉片吸力面靠近出口附近的空泡體積分數降低,表明降低了空化強度。襟翼對轉輪進口的水流和泥流起到了有效的分流作用,使得流道內的水流和泥流均勻分布。襟翼改善了葉片吸力面表面水流流線的流暢性,紊亂現象也有所減弱,水流流態得到了優化。襟翼的增加還使得轉輪0.95轉輪Turbo面葉柵的稠密度增加,有助于減少轉輪進口的脫流現象;轉輪出口邊的高流速區域面積顯著減小;泥沙流速降低,從而減輕了對轉輪葉片的沖擊磨損作用,對于改善空化性能起到了積極的影響。