襟翼长度对混流式水轮机空化性能的影响

李雅丽,刘云琦

(1.商洛市商州区水利工作站,陕西 商洛 726000;2.河北省应急物资供应中心,河北 石家庄 050000)

可再生能源中,水电是目前唯一能实现商业化大规模应用的能源。尤其是随着煤炭等不可再生资源大规模开采利用导致的能源危机,水电作为具有更强优势的清洁可再生能源,对于推动我国经济建设和社会可持续发展具有着重要作用[1-3]。在我国大部分水电站中,混流式水轮机以其结构紧凑,可以适应相对较宽的水域,制作工艺成熟等优点,占据着我国水电站机组的主导位置[4],但是混流式水轮机仍存在着自身无法克服的弱点即空化,空化是水力机械运行过程中存在的常见问题,水轮机在长期处于空化运行状态或在空化和磨蚀的协同作用下,会导致水轮机组运行效率显著降低,同时还会缩短机组的使用寿命,对水轮机的稳定运行产生不利影响,甚至引发危害生命财产的安全事故[5-8]。

目前,国内外学者对水轮机空化性能进行了相关研究,有学者利用仿真软件对水轮机空化区域进行了预测,杨宛利[9]用CFX软件对水泵水轮机转轮在发电、抽水工况进行数值模拟,经过研究发现水轮机工况下,空化现象最容易在转轮叶片吸力面出口边靠近下环的位置发生;相较于单相流体模型,黄剑峰等[10]采用欧拉-欧拉方法中的均匀多相流假设混合两相流体无滑移模型,并利用Fluent软件对混流式水轮机的全流道进行了数值模拟,研究表明,与单相流体模型相比,多相流模型能够更好地模拟水轮机内空化现象的多相流动情况。

水轮机实际运行的水域中常常有泥沙颗粒的存在,泥沙颗粒会加剧生成水中的空化核,从而加重空化的发生,Dinesh等[11]对水轮机运行过程中含沙水进行研究,试验表明水轮机运行过程中泥沙水对水轮机的工作运行有磨蚀作用;杜同[12]通过实验对比单独的泥沙磨损、空化及泥沙磨损与空化联合作用的效果,发现单独的泥沙磨损只能让过流部件表面变的更加光滑,而空化磨损的联合作用则会产生鱼鱗坑,加速磨蚀;刘正勇等[13]对黄河流域混流式水轮机叶片的磨蚀情况进行调研,发现磨蚀通常发生在叶片正、背面,以叶片进口边背面靠下环转弯处及正面出水边区靠近下环处最为严重。严欣等[14]通过研究襟翼高度对混流式水轮机转轮空化特性的影响,结果表明小流量 0.6Qd和0.8Qd工况下,襟翼高度为30 mm时空化改善最明显。

在仿生学的启示下,研究人员受到鸟类飞行和鱼类游动时通过拍打翅膀或尾翼控制涡流以改善前行性能的启发,提出并研究了一种带有摆动小翼(又称襟翼)的开槽叶片设计方法,并对其进行了研究,刘洋等[15]通过对桨叶加装襟翼,再对其动态失速模型进行数值模拟,发现襟翼的存在可以有效改善桨叶的动态失速特性;Yeonjoong等[16]通过对拟建坝(即带襟翼的闭式坝)的水力特性的研究,试验数据表明,与无襟翼的闭式坝相比,有襟翼坝具有捕捉大孤石泥石流的优势,同时水坝由于有襟翼结构的存在可通过水流循环控制总压。

流体机械领域内,加装襟翼的实质在于通过改变翼型的弯曲度来改变流场,从而达到控制流场的目的;在工程应用领域,襟翼结构已经在航空航天领域和水翼船方面得到广泛的应用,马祺敏等[17]研究发现在风力机S809翼型的吸力面添加襟翼可以以抑制绕流流动分离,风机在不同攻角等条件下,升阻比和升力最大可分别提升53%和41.8%,周畅[18]以螺旋轴流式气液混输泵为研究对象,借鉴机翼襟翼增升装置设计方法,对叶轮叶片翼型进行合改型设计,结果表明改型后的泵降低了叶轮入口处流体冲击及叶轮出口附近流道内气堵现象造成的能量损失,提升气液混输泵的混输效率。襟翼在工程应用领域得到了较为广泛的应用,因此通过添加襟翼改造水轮机叶片来改善空化性能是有一定研究价值的。

目前现有的有关襟翼结构的文献研究主要集中在刚性整体翼型的水翼结构上,翼型采用的都是标准翼型,研究方向集中于运动形式、流场条件、水翼的阵列结构等等,对于襟翼尺寸改型的研究、襟翼结构对水轮机的空化性能的研究还不够深入。

因此,本文增加转轮叶片的襟翼结构,在空化基础上考虑含沙水的磨蚀作用,采用多相流模型,运用CFX软件对HLX180-LJ-145混流式水轮机的全流道进行三维定常空化湍流数值模拟,旨在深入探究流道内部的空化部位及空化程度,进行水轮机运行工作介质与水轮机转轮空化特性关联性的分析,研究混流式水轮机增加襟翼对转轮空化性能的影响。

1 计算模型与网格划分

1.1 计算模型及设计参数

以某水电站型号为HLX180-LJ-145的混流式水轮机为研究对象,使用UG软件对水轮机进行全流道建模,模型三维实体图如图1,表1选用的混流式水轮机真机运行时的基本参数。水轮机模型机转轮直径为360 mm,工作水头为30 m。

表1 水轮机基本参数

图1 水轮机三维实体图

1.2 数值计算方法

使用ANSYS CFX软件对水轮机进行气液两相和固-液-气三相耦合计算。选用水轮机真机运行所处的河流的年平均泥沙浓度10.45%和泥沙平均粒径为0.028 mm。在数值模拟计算时,设置泥沙颗粒体积浓度为10%,平均粒径为0.03 mm。

多相流模型采用Euler-Lagrange模型,模型把流体相作为连续相,运用欧拉法创立流体相的连续性、动量以及能量守恒方程,泥沙颗粒作为离散相,建立离散相的拉格朗日方程,可以更方便的模拟具有复杂运动的颗粒相。

本文主要研究水轮机多相流体介质的交互作用。为了更精确且符合实际地描述水机多相流体介质的流动状态,选用SSTk-ω湍流模型进行数值模拟。

耗散率ω和湍动能k方程为:

(1)

(2)

(3)

式中:ρ为流体密度;k为湍流动能;t为时间;u为流体速度;x为空间坐标;μ为动力黏度;σ*为模型相关的常量,0.5;μT为湍流黏度系数;σ为模型相关的常数,0.5;β*为模型相关的常数,0.09;ω为耗散率;Pk为湍流生成项;Cω1为模型相关的常数,5/9;Cω2为模型相关的常量,0.075;i,j为坐标方向。

在选择空化模型时,我们采用了Zwart空化模型。该模型基于输运方程而提出,可以与所有湍流模型兼容使用。模型的关键参数包括空泡直径、成核点体积分数、蒸发系数及凝结系数。该模型已被商业软件CFX以及FLUENT广泛应用,应用范围较广[19]。

(4)

1.3 数值计算边界条件

数值计算时边界条件设置为:

(1) 进口条件:蜗壳进口采用质量流量。

(2) 固体壁面:采用无滑移光滑绝热壁面。

(3) 转轮动静交界面:转轮域的动静交界面采用Frozen Rotor。

(4) 出口条件:通过尾水管降压来进行,尾水管出口采用静压力。

空化计算时由1 atm开始每次降低0.1 atm来进行研究。气液两相流计算时,气相选择为Water Vapour at 25 ℃,空化压力为3 540 Pa,时间步长为0.01 s,平均残差小于10-5。

1.4 网格划分及无关性验证

采用ICEM CFD软件对水轮机进行结构化网格划分,同时对重要壁面和边界层进行加密处理。加襟翼转轮网格图和局部图如图2所示。

图2 加襟翼转轮计算域网格划分

为了提升计算效率,在Qd工况点选取了五种网格数进行数值计算。图3展示了效率和输出功率随着网格数的增加而逐渐增加的趋势。当网格数达到6.5×106后,效率保持稳定不变,表明已经获得了网格无关解。表2列出了达到网格无关解后各过流部件的网格数和节点数。图4是转轮叶片吸力面的y+图,最大y+值为9.758,满足数值计算对网格的需求。

表2 过流部件网格数

图3 网格无关性验证

图4 叶片吸力面y+

1.5 数值计算工况

水轮机单位转速n11和单位流量Q11为:

(5)

(6)

式中:n11为单位转速,r/min;Q11为单位流量,m3/s;n为转速,r/min;Q为流量,m3/s;D1为转轮直径,m;H为工作水头,m。

选择最优单位转速69 r/min对0.8Qd工况和1.0Qd工况点在清水和含沙水水流介质下水轮机的空化性能进行分析研究。两种工况下活动导叶开度及单位流量如表3所示。

表3 各工况下活动导叶开度和单位流量

1.6 试验验证

为了检验数值计算的准确性,选取了六个不同的流量工况点,进行了混流式水轮机真机效率试验。电站真机的运行水头范围为97 m～112 m,效率试验时电站实测水头为101 m。试验工况选取设计工况单位转速为69 r/min,具体方案如表4所示。图5为试验与数值计算值对比结果,从整体来看,水轮机真机的效率试验值和数值模拟值的变化规律基本一致,在数值计算过程中,并未将流道内所有密封间隙所导致的泄漏损失纳入考虑范围[20]。数值模拟值结果略高于试验值,单位流量0.452 m3/s的工况出现最大误差,为2.16%,在误差允许的范围内,因此认为本文进行的数值计算能够反映水轮机实际运行过程中的特征。

表4 试验对比方案

图5 外特性模拟曲线与试验曲线

2 襟翼改型方案

在原始转轮的基础上,通过在转轮两叶片中间的位置增设襟翼结构,并将其固定于转轮进口靠近下环处,且与转轮叶片保持平行放置[20],襟翼头部与转轮叶片头部相同,曲率与叶片相同,图6(a)为襟翼结构在转轮中的位置,图6(b)是襟翼长度示意图。表5是设计的4个襟翼方案,在清水和含沙水介质中,研究襟翼高度为10 mm的方案下,四种不同长度的襟翼(0 mm、60 mm、80 mm、100 mm)对混流式水轮机转轮在0.8Qd工况和1.0Qd工况点时空化性能的影响。方案1即为无襟翼原型机组。

表5 各方案襟翼个数和襟翼长度

图6 襟翼结构及襟翼长度

3 结果讨论与分析

3.1 襟翼对水轮机能量特性的影响

对比在尾水管出口压力为1 atm条件下,4种襟翼方案的水轮机的效率。结果如表6,加入襟翼后水轮机的效率降低,0.8Qd小流量工况点清水、含沙水介质效率值分别最大降低1.57%、2.05%;1.0Qd设计流量工况点清水、含沙水介质效率分别最大降低0.89%、1.26%。

表6 不同方案的效率值

效率和空化分别与水轮机经济效益和使用寿命相关,本文研究襟翼结构对水轮机空化性能的显著提升作用。水轮机的空化性能是其综合性能的重要评估标准,空化性能优化后可以延长水轮机的使用寿命,从而有效降低检修和更换成本,提高运行效率。因此,加入襟翼后水轮机效率稍降低,空化性能显著提高,在实际工程应用中,综合考虑襟翼结构的应用对水轮机仍具有重大意义。

3.2 襟翼对水轮机空化性能的影响

空化数值模拟采用对水轮机尾水管出口进行降压的方法,每次降压0.1 atm,观察到在出口压力由1 atm降至0.4 atm的过程中,水轮机的输出功率和效率均保持稳定,同时转轮叶片表面未出现空化现象。当出口压力降0.3 atm时,设计流量工况点出现明显的变化,叶片吸力面靠近转轮出口边存在大面积空化,小流量工况无明显变化;当压力降到0.2 atm时,小流量工况点输出功率和效率发生明显变化。

因此,本文对尾水管出口压力为0.2 atm的0.8Qd小流量工况点和压力0.3 atm的1.0Qd设计流量工况点在清水和含沙水介质下转轮的空化性能进行研究。

表7展示了四种襟翼长度方案下转轮叶片吸力面的最大空泡体积分数量化值,增加襟翼后,转轮叶片出口边的最大空泡体积分数均在减小,在0.8Qd小流量工况点,清水介质三种带襟翼方案空泡体积分数分别相对于无襟翼方案减小10.1%、12.5%、14.0%,含沙水介质空泡体积分数分别相对减小3.6%、5.0%、4.3%;在1.0Qd设计流量工况点,清水介质空泡体积分数分别相对减小6.2%、6.7%、7.5%,含沙水介质空泡体积分数分别相对减小4.4%、4.0%、4.1%。

表7 不同方案的最大空泡体积分数量化表

图7、图8分别为清水和含沙水介质不同流量工况、不同方案下转轮吸力面的空泡分布图,转轮叶片吸力面靠近转轮出口下环处会产生大面积空化,同一流量工况点,含沙水的空泡面积要大于清水介质,泥沙颗粒对水轮机的磨蚀作用使得破坏更加严重;同一水流介质,小流量工况点的空泡面积小于设计流量工况点,设计流量工况点水流流速较高,高流速水流对转轮叶片的冲击作用较大,空化较严重;增加襟翼后,总受压面积增大,增加了过流面积,转轮水流得到分流,流经转轮叶片的水流流量减少,转轮进口水流速度更为均匀,明显减小空化发生的强度。

图7 0.8Qd转轮叶片吸力面空泡体积分数

图9、图10是转轮叶片吸力面水流流速图,同一工况点,由于泥沙颗粒对水流的阻碍效应,含有泥沙的水流速度小于清水,然而,在两种水流介质叶片表面,水流流线并没有显著的差异;在原始转轮进口和转轮进口下环处,水流流线呈现出相对紊乱的状态,显示出水流回流和交汇的现象存在。尤其在小流量工况点,这种现象相较于设计流量工况点更为严重。增加襟翼后,襟翼对转轮进口的来流进行充分分流,促使水流流速增加,叶片表面流动分离延迟,流线紊乱现象减弱。整个流场的流线分布均匀且流畅,这表明加襟翼可以使流场流线更加流畅,从而减小由流场不稳定性引起的脉动,改善水轮机转轮区域运行的稳定性。

图9 0.8Qd转轮叶片吸力面水流流线

图10 1.0Qd转轮叶片吸力面水流流线

使用叶栅图进行转轮内流态分析时,需要同时显示出叶片及襟翼,因此采用转轮内Turbo0.95(转轮上冠为0,下环为1)高度截面进行分析[20-21]。

图11和图12分别展示了在四种襟翼长度方案下,水流速度矢量在转轮0.95截面处的分布情况。通过对比分析,可以发现以下规律:两个流量工况点在靠近转轮出口处均出现了明显的水流高流速区域,对转轮出口产生的冲击相对更大,叶片进口处容易出现脱流现象;在增设襟翼后,加襟翼转轮的过流通道叶栅稠密度有所增加,导致转轮进口的来流得到分流,脱流现象有所减弱。此外,转轮出口边的水流速度减小,流态得到改善,流道内的能量转换更为充分,动能得到了更大程度地利用。这些改变使得水流对转轮的冲击作用有所减弱,从而改善了空化性能。

图11 0.8Qd转轮0.95截面水流速度矢量

图12 1.0Qd转轮0.95截面水流速度矢量

图13为含沙水介质中不同流量工况的转轮0.95截面泥沙流速矢量图,设计流量工况点泥沙流速较高、转轮出口边高流速区域较多。加装襟翼后,襟翼对转轮进口的流动进行了分流,减缓了转轮域泥沙流速,从而减轻了泥沙对转轮叶片的冲击。此外,泥沙颗粒对该区域的磨蚀作用也相应减弱,从而改善了空化性能。

图13 转轮0.95截面泥沙速度矢量

4 结 论

通过对四种襟翼长度的水轮机在清水和含沙水介质下的0.8Qd工况和1.0Qd设计流量工况点进行数值计算,分析能量特性、空泡体积分数、吸力面水流流线等相关参数,得出以下研究结论:

(1) 水轮机转轮域主要在转轮叶片吸力面靠近出口处发生空化现象。当水流中存在泥沙颗粒时,这些颗粒还会对转轮叶片产生磨损作用。在空化和磨损的联合作用下,对转轮叶片的破坏将会更加严重。增加襟翼后,泥沙颗粒对该区域的磨蚀作用也相应减弱,从而改善了空化性能。

(2) 增加襟翼后,转轮内部的受压区域有所增加,叶片吸力面靠近出口附近的空泡体积分数降低,表明降低了空化强度。襟翼对转轮进口的水流和泥流起到了有效的分流作用,使得流道内的水流和泥流均匀分布。襟翼改善了叶片吸力面表面水流流线的流畅性,紊乱现象也有所减弱,水流流态得到了优化。襟翼的增加还使得转轮0.95转轮Turbo面叶栅的稠密度增加,有助于减少转轮进口的脱流现象;转轮出口边的高流速区域面积显著减小;泥沙流速降低,从而减轻了对转轮叶片的冲击磨损作用,对于改善空化性能起到了积极的影响。