沖擊式水輪機(jī)效率下降原因分析及其改進(jìn)方案

陳 柱，劉 育，余 波，雷 恒

(1.重慶水輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，重慶400054；2.國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川成都610016；3.西華大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，四川成都610039；4.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院水利系，河南開封475004)

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沖擊式水輪機(jī)效率下降原因分析及其改進(jìn)方案

陳 柱1，劉 育2，3，余 波3，雷 恒4

(1.重慶水輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，重慶400054；2.國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川成都610016；3.西華大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，四川成都610039；4.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院水利系，河南開封475004)

意大利某水電站更換轉(zhuǎn)輪后，發(fā)現(xiàn)當(dāng)其在高水頭、大開度且以雙噴嘴方式運(yùn)行時(shí)，水輪機(jī)效率隨著噴針開度的增加(尚未開到額定開度值)卻意外下降了5%。針對該問題，運(yùn)用了CFD軟件對包括轉(zhuǎn)輪、噴嘴、機(jī)殼、機(jī)蓋等在內(nèi)的水輪機(jī)內(nèi)部流場進(jìn)行了非定常氣水兩相流數(shù)值模擬，分析確定了水輪機(jī)效率下降的原因。隨后提出了對該水輪機(jī)增設(shè)擋水板的改進(jìn)方案。計(jì)算結(jié)果表明，該改進(jìn)方案阻止了水流再次返回至轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域，水輪機(jī)效率下降問題得到了解決。

水力機(jī)械；沖擊式水輪機(jī)；噴嘴；性能試驗(yàn)；數(shù)值模擬

1 研究背景

意大利某水電站位于瓦萊達(dá)奧斯塔大區(qū),其裝機(jī)為3臺沖擊臥式水輪發(fā)電機(jī)組。該電站1號機(jī)組由意大利米蘭Breda公司生產(chǎn)制造并于1926年投入使用，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪采取了臥軸雙噴嘴結(jié)構(gòu)，其轉(zhuǎn)輪型號為CJXXX-W- 185/2×15.7，毛水頭為555.45 m，額定轉(zhuǎn)速為500 r/min，額定流量為3.6 m3/s，發(fā)電機(jī)額定出力為15 000 kW。由于受當(dāng)時(shí)施工條件限制、設(shè)計(jì)技術(shù)落后以及已運(yùn)行快1個(gè)世紀(jì)，該水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪效率不高，急需對其進(jìn)行優(yōu)化改造。為此，業(yè)主單位通過購買我國某水輪機(jī)制造廠所設(shè)計(jì)研發(fā)的水力性能優(yōu)秀的C601型轉(zhuǎn)輪直接更換來達(dá)到改造目的。2014年4月，該電站完成新轉(zhuǎn)輪安裝，但在開機(jī)試運(yùn)行性能試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：在高水頭雙噴嘴運(yùn)行時(shí)，當(dāng)噴針開度達(dá)到一定值后(尚未開到額定開度值)，水輪機(jī)效率隨著噴針開度的增加而意外下降5%。

為解決該問題，首先，通過業(yè)主單位提供的現(xiàn)場系統(tǒng)的性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)資料，初步確定可能誘發(fā)其產(chǎn)生的原因；其次，運(yùn)用CFD技術(shù)確定該水輪機(jī)效率突降5%的原因；最后，提出了對該水輪機(jī)增設(shè)擋水板的改進(jìn)方案。

2 性能試驗(yàn)

2.1 方案設(shè)置

為檢查和比較該電站舊沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪和我國某制造廠提供的新沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的性能。業(yè)主單位對該電站1號機(jī)組水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪在安裝舊輪與新輪運(yùn)行下，共進(jìn)行了8組試驗(yàn)及測量。①新轉(zhuǎn)輪。高水頭，雙噴嘴工作；中、低水頭，雙噴嘴工作；高水頭，上噴嘴(下噴嘴關(guān)閉)工作。②舊轉(zhuǎn)輪。高水頭，雙噴嘴工作；中、低水頭，雙噴嘴工作；低水頭，雙噴嘴滿負(fù)荷工作；高水頭，上噴嘴(下噴嘴關(guān)閉)工作；高水頭，下噴嘴(上噴嘴關(guān)閉)工作。

2.2 結(jié)果及分析

為了便于試驗(yàn)結(jié)果比較，對于每組測量，軸功率和流量數(shù)據(jù)被歸一到所有試驗(yàn)水頭的平均值H0，并且假定參考水頭附近的水輪機(jī)效率為恒定值。因此，此假設(shè)在水輪機(jī)效率曲線頂點(diǎn)附近的水頭值可以成立；對于更遠(yuǎn)一點(diǎn)的水頭，該假設(shè)會帶來一些計(jì)算誤差。針對其測試結(jié)果，通過最小二乘法和內(nèi)插法進(jìn)行處理(其中實(shí)線曲線部分利用最小二乘法，虛線曲線部分利用內(nèi)插法)，其具體如圖1～3所示。其中，圖1、3所示的虛線是筆者為了便于分析，并且將其定義為一種可能存在的“飽和現(xiàn)象”(即在該區(qū)間，其水輪機(jī)效率隨噴針開度的增加而急速下降)，因?yàn)樵搮^(qū)間沒有試驗(yàn)點(diǎn)，其趨勢為假定的。

圖1 新輪—水輪機(jī)效率

圖2 舊輪—水輪機(jī)效率

圖3 水頭H=551 m下新輪與舊輪效率對比

由圖1可看出，在高水頭下，新輪以雙噴嘴運(yùn)行時(shí)，水輪機(jī)效率較上噴嘴單獨(dú)運(yùn)行時(shí)效率小得多；在大開度下，新輪以雙噴針運(yùn)行時(shí)，水輪機(jī)效率意外下降大約5%，出現(xiàn)“飽和現(xiàn)象”。在中低水頭下，新輪以雙噴嘴運(yùn)行時(shí)，水輪機(jī)效率出現(xiàn)“飽和現(xiàn)象”不明顯。

由圖2可看出，在各水頭下，舊輪以雙噴嘴運(yùn)行時(shí)，水輪機(jī)效率均未出現(xiàn)“飽和現(xiàn)象”，且較上噴嘴單獨(dú)運(yùn)行時(shí)水輪機(jī)效率相差較小，其在大開度下隨著水頭的提升其水輪機(jī)效率隨之增加。

由圖3可看出，新舊轉(zhuǎn)輪均以雙噴嘴運(yùn)行時(shí)，在未出現(xiàn)“飽和現(xiàn)象”的運(yùn)行區(qū)，新輪的水輪機(jī)效率高于舊輪，且兩者單噴嘴運(yùn)行換成雙噴嘴運(yùn)行時(shí)，水輪機(jī)效率均表征為下降。特別地，新舊輪均以單噴嘴運(yùn)行，且在噴針小開度和中偏高開度時(shí)，其兩者的水輪機(jī)效率差為2%，且均未出現(xiàn)“飽和現(xiàn)象”。需要指出，由于下噴嘴單獨(dú)運(yùn)行不是一種常見的運(yùn)行方式，因其向上的水推力會對機(jī)組軸承產(chǎn)生不好的影響，故只進(jìn)行了下噴針小開度試驗(yàn)。

綜上，根據(jù)新舊輪性能試驗(yàn)結(jié)果，筆者認(rèn)為造成新輪在高水頭大開度下以雙噴嘴方式運(yùn)行時(shí)，出現(xiàn)水輪機(jī)效率“飽和現(xiàn)象”可能的原因有：①尾水排水不暢，隨著流量的增大，可能出現(xiàn)轉(zhuǎn)輪打水，導(dǎo)致水輪機(jī)效率意外下降；②可能存在新水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪水流出水與機(jī)蓋、機(jī)殼之間的匹配問題。因此，基于上述可能存在的原因，筆者利用CFD技術(shù)手段，對其水輪機(jī)內(nèi)全流道流場開展了專門的數(shù)值模擬研究分析，以尋求合理的改進(jìn)方案。

3 數(shù)值模擬

3.1 幾何模型及離散化

利用UG三維建模軟件并結(jié)合AutoCAD，對數(shù)值計(jì)算所研究的沖擊式水輪機(jī)全流道進(jìn)行三維建模，其中包括轉(zhuǎn)輪、噴嘴、機(jī)殼、機(jī)蓋等[1]。與此同時(shí)，為了使生成的網(wǎng)格既能很好的描述水輪機(jī)全流道所具有的結(jié)構(gòu)特征，又保證網(wǎng)格劃分后網(wǎng)格數(shù)量在現(xiàn)有計(jì)算機(jī)條件的計(jì)算范圍內(nèi)，本次數(shù)值模擬研究采用了適應(yīng)性較強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，即水輪機(jī)各過流部件的網(wǎng)格生成均采用非結(jié)構(gòu)的四面體網(wǎng)格。對相對重要的轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)區(qū)域做了網(wǎng)格加密處理，最終全流道水體模型與網(wǎng)格離散化后轉(zhuǎn)輪模型如圖4所示。

圖4 水體模型與網(wǎng)格離散化

3.2 計(jì)算方法及邊界條件

由于沖擊式水輪機(jī)內(nèi)部流動(dòng)具有強(qiáng)旋度及旋轉(zhuǎn)剪切流等特點(diǎn)，本次沖擊式水輪機(jī)內(nèi)部氣水兩相流三維非定常數(shù)值模擬研究中，湍流模型采用雙方程模型中的RNG k-epsilon模型，氣水兩相流模型采用VOF模型；應(yīng)用有限體積法離散控制方程；時(shí)間項(xiàng)采用一階向后差分隱式格式，方程組中擴(kuò)散項(xiàng)采用二階中心差分格式，對流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式，應(yīng)用PISO方法進(jìn)行速度壓力耦合求解[2- 4]。

該沖擊式水輪機(jī)內(nèi)部流動(dòng)數(shù)值模擬工況按照前述性能試驗(yàn)問題工況，選取了兩個(gè)工況進(jìn)行對比研究：工況1，H=551.0 m，Q=3.5 m3/s、射流直徑φ=149.5 mm；工況2，H=551.0 m，Q=3.2 m3/s、射流直徑φ=143 mm。

通過FLUENT商用CFD軟件，其內(nèi)部流動(dòng)數(shù)值模擬邊界條件的定義主要包括壁面、進(jìn)口、出口以及流動(dòng)介質(zhì)的定義[5]，具體設(shè)置為：①流動(dòng)介質(zhì)，空氣和水；②混合進(jìn)口條件，給定噴嘴出口處射流速度和氣水各組分的體積份數(shù)，其中水和空氣比值為1∶0；③混合出口條件，給定尾水出口壓力和氣水各組分的體積份數(shù)，其中，出口處壓力為0，水和空氣比值為0∶1；④水輪機(jī)各靜止和旋轉(zhuǎn)交界面采用滑移網(wǎng)格技術(shù)，所有近壁面區(qū)均采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法處理；⑤施加相應(yīng)的重力加速度。

3.3 結(jié)果及分析

由于本次數(shù)值模擬采用瞬態(tài)流動(dòng)分析，且計(jì)算時(shí)間步長取0.001 s，即相當(dāng)于水斗旋轉(zhuǎn)了0.158個(gè)水斗?？紤]到篇幅限制，下面將僅給出該水輪機(jī)在工況1和工況2運(yùn)行時(shí)，0.000 s、0.005 s和0.010 s時(shí)刻時(shí)，水輪機(jī)內(nèi)部和中截面氣水分布圖，具體見圖5～8。

圖5 水輪機(jī)區(qū)域內(nèi)氣水分布(工況1)

圖6 水輪機(jī)中截面氣水分布(工況1)

圖7 水輪機(jī)區(qū)域內(nèi)氣水分布(工況2)

圖8 水輪機(jī)中截面氣水分布(工況2)

由圖5～8可看出，在所選擇的兩個(gè)工況下，以雙噴嘴方式運(yùn)行時(shí)，在機(jī)殼和機(jī)蓋連接處出現(xiàn)水流堆積現(xiàn)象，導(dǎo)致部分水流再次返回到轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域中，從而形成嚴(yán)重干涉，導(dǎo)致該水輪機(jī)效率下降。

與此同時(shí)，為了驗(yàn)證水從水斗出來撞到機(jī)殼后是否反射，對單個(gè)水斗在某一假設(shè)條件下進(jìn)行數(shù)值模擬研究，其三維示意模型與中截面氣水分布如圖9所示。

圖9 水柱射入水斗簡圖及其中心截面氣水分布

4 優(yōu)化方案及結(jié)果

依據(jù)CFD原因分析結(jié)果以及考慮到實(shí)際工程中可行性，筆者認(rèn)為可采用增設(shè)擋水板的改進(jìn)方案來導(dǎo)流，其具體方案設(shè)置如圖10所示。與此同時(shí)，為了對比較改造前水輪機(jī)內(nèi)部流動(dòng)情況，運(yùn)用第2小節(jié)提供的該水輪機(jī)內(nèi)部流場數(shù)值計(jì)算方法，對該沖擊式水輪機(jī)在工況2運(yùn)行時(shí)進(jìn)行數(shù)值模擬，其結(jié)果如圖11、12所示。

圖10 改進(jìn)方案

圖11 水輪機(jī)區(qū)域內(nèi)氣水分布(工況2)

圖12 水輪機(jī)中截面氣水分布(工況2)

由圖11、12可看出，對該水輪機(jī)增設(shè)擋水板方案，起到了良好的導(dǎo)流作用，阻止了水流再次返回至轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域內(nèi)。該電站1號機(jī)組水輪機(jī)經(jīng)此種改進(jìn)方案后，通過業(yè)主單位反饋的機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況可知，該工況下水輪機(jī)效率未出現(xiàn)“飽和現(xiàn)象”，運(yùn)行良好，由此表明該問題得到了徹底解決。

5 結(jié) 論

(1)采用VOF模型對意大利某水電站沖擊式水輪機(jī)內(nèi)部進(jìn)行了非定常氣水兩相流計(jì)算研究，并結(jié)合性能試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析，確定了導(dǎo)致新輪在高水頭、大開度且以雙噴嘴方式運(yùn)行時(shí)水輪機(jī)效率下降5%的原因?yàn)椋盒滤啓C(jī)轉(zhuǎn)輪水流出水在機(jī)殼和機(jī)蓋連接處不斷堆積，最終致使水流再次返回到轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)區(qū)域，形成了嚴(yán)重干涉，從而導(dǎo)致了水輪機(jī)效率突降。

(2)通過運(yùn)用CFD方法原因分析結(jié)果，采取了對該水輪機(jī)增設(shè)擋水板的改進(jìn)方案，計(jì)算結(jié)果表明：此種改進(jìn)方案有效的防止了水流再次返回至新輪旋轉(zhuǎn)區(qū)域，新輪水輪機(jī)效率突降問題得以解決。

(3)本文采用的沖擊式水輪機(jī)內(nèi)部非定常氣水兩相流數(shù)值計(jì)算方法，可應(yīng)用于同類型水輪機(jī)水力設(shè)計(jì)與優(yōu)化，特別地適用于實(shí)際工程項(xiàng)目。

[1]周文桐， 周曉泉. 水斗式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)[J]. 大電機(jī)技術(shù)， 2008(2)： 44- 53．

[2]XIAO Y X， WANG Zhengwei， ZHANG Jin， et al. Numerical and Experimental Analysis of the Hydraulic Performance of a Prototype Pelton Turbine[J]. Journal of Power and Energy， 2014， 228(1)： 46- 55．

[3]PERRIG A. Hydrodynamics of the Free Surface Flow in Pelton Turbine Burckets[M]. Lausanne： EPFL， 2007．

[4]PERRIG A. 沖擊式水輪機(jī)水斗中流動(dòng)的數(shù)值分析[J]. 尹繼紅， 李任飛， 譯. 國外大電機(jī)， 2005(1)： 55- 59．

[5]肖業(yè)祥， 鄭愛玲， 韓鳳琴， 等. CFD法研究多噴嘴沖擊式水輪機(jī)的射流干涉[J]. 華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)： 自然科學(xué)版， 2007， 35(3)： 66- 70．

(責(zé)任編輯 高 瑜)

Analyses and Improvement on Efficiency Decrease of Pelton turbine

CHEN Zhu1, LIU Yu2, 3, YU Bo3, LEI Heng4

(1. Chongqing Hydraulic Turbine Co., Ltd., Chongqing 400054, China;2. Guodian Dadu River Hydropower Development Co., Ltd., Chengdu 610041, Sichuan, China;3. School of Energy and Power Engineering, Xihua University, Chengdu 610039, Sichuan, China；4. Department of Water Conservancy, Yellow River Conservancy Technical Institute, Kaifeng 475004, Henan, China)

After replacing the runner of Pelton turbine in an Italian hydropower station with Chinese production, the efficiency of turbine decreases by 5% with the increasing of needle opening which still below rated opening when the turbine operates at high water head, big opening and double nozzle mode during on-site performance acceptance test. For solving this problem, the CFD software is used to simulate the internal flow field of unsteady gas-water two-phase flow of turbine including runner, nozzle, casing and machine cover, and the reasons of efficiency decrease is analyzed. The improvement scheme of adding baffle plate is proposed. The simulation results show that the improvement can prevent water flowing back to rotating parts and the efficiency decrease is resolved．

hydraulic machinery; Pelton turbine; nozzle; performance test; numerical simulation

2015- 10- 13

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51379179);河南省高等學(xué)校青年骨干教師資助項(xiàng)目(2013GGJS- 197)

陳柱(1982—)，男，廣西玉林人，工程師，主要從事水輪機(jī)水力和結(jié)構(gòu)的數(shù)字化設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作．

TK735

A

0559- 9342(2016)06- 0049- 04