新疆夏特電站水輪機活動導(dǎo)葉泥沙磨損研究

楊 涵， 劉小兵， 田文文， 龐嘉揚， 徐連琛

(西華大學(xué) 流體及動力機械教育部重點實驗室，成都 610039)

水輪機在多泥沙河流上運行時，其泥沙磨損問題十分嚴峻，輕則需對水輪機進行檢修處理，重則造成巨大的安全隱患和經(jīng)濟損失。因此，為提高水電站運行效率和運行穩(wěn)定性，有必要對水輪機的泥沙磨損問題進行研究[1]。

隨著計算流體動力學(xué)和測試技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者對水輪機沙水流動及泥沙磨損問題的研究更加深入。黃劍峰等[2]利用數(shù)值模擬方法分析了小開度工況下水輪機泥沙分布規(guī)律和磨損情況。史廣泰等[3]基于SSTk-ω湍流模型探討了液力透平機組穩(wěn)定性與導(dǎo)葉的數(shù)量關(guān)系。Khanal等[4]研究得出具有最小沖蝕率和較高效率的最佳葉片角分布，并設(shè)計出最耐磨蝕混流式水輪機轉(zhuǎn)輪葉片結(jié)構(gòu)。Gautam等[5]研究了低比速混流式水輪機泥沙磨損問題。齊學(xué)義等[6]探究了導(dǎo)葉相對位置對活動導(dǎo)葉磨損的影響。Shrestha等[7]研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)輪出水邊和下環(huán)位置較容易出現(xiàn)磨損。

此外，很多學(xué)者通過試驗對泥沙磨損進行研究。陸力等[8]通過試驗得到不同材質(zhì)的磨損率公式。姚啟鵬[9]將繞流磨損試驗結(jié)果應(yīng)用于水輪機真機磨損的預(yù)估。Koirala等[10]通過轉(zhuǎn)盤裝置試驗對泥沙質(zhì)量濃度(簡稱含沙量)高的混流式水輪機轉(zhuǎn)輪葉片型線選擇進行了研究。田文文等[11]采用繞流磨損試驗方法探究了繞流速度和含沙量對磨損率的影響規(guī)律。Thapa等[12]對低比速混流式水輪機的泄漏特性進行了研究。Kang等[13]基于Tabakoff和Grant模型研究了不同工況和含沙量下混流式水輪機轉(zhuǎn)輪的泥沙侵蝕情況。劉娟等[14]發(fā)現(xiàn)磨損對涂層的破壞均是從最薄弱的結(jié)構(gòu)和部位開始的。

筆者通過數(shù)值模擬分析了泥沙磨損時水輪機內(nèi)部流動規(guī)律，采用繞流磨損試驗方法得出實際磨損量，并針對多泥沙河流上的高水頭夏特電站水輪機導(dǎo)葉進行了泥沙磨損研究。

1 夏特電站工程概況

1.1 電站概況

新疆夏特電站地處新疆克孜勒蘇河河段中游，為克孜勒蘇河規(guī)劃2庫6級開發(fā)方案中的第3個梯級電站。電站為引水式電站，是以發(fā)電為主的水電樞紐工程。該電站安裝4臺混流式水輪發(fā)電機組，單機容量為62 MW，電站總裝機容量為248 MW，平均發(fā)電量為9.360億kW·h，年利用小時數(shù)為3 774 h。

1.2 電站泥沙特性參數(shù)

取最大年內(nèi)含沙量為9.52 kg/m3，泥沙特性參數(shù)見表1，懸移質(zhì)泥沙樣本礦物成分見表2。

表1 泥沙特性參數(shù)

表2 懸移質(zhì)泥沙樣本礦物成分

1.3 電站水輪機設(shè)計參數(shù)

夏特電站混流式水輪機的設(shè)計參數(shù)見表3。

表3 水輪機的基本設(shè)計參數(shù)

2 數(shù)值計算

2.1 湍流模型及控制方程

綜合考慮計算的精確度、合理性以及經(jīng)濟性，采用固液兩相標準k-ε模型[15]。

流體相連續(xù)方程為：

(1)

式中：Cμ≈0.09；ε為湍動能耗散率；k為湍動能；t為時間；x為坐標；φf為流體相體積分數(shù)；Vf為流體相速度；σf為流體相常數(shù)；下標i表示張量的指標符號。

泥沙顆粒相連續(xù)方程為：

(2)

式中：φp為泥沙顆粒相體積分數(shù)；σp為泥沙顆粒相常數(shù)；Vp為泥沙顆粒相速度。

流體相動量方程為：

(3)

式中：νf為流體相運動黏度；Sf為定義的源項[16]；下標j表示張量的指標符號。

泥沙顆粒相的動量方程為：

(4)

式中：νp為泥沙顆粒相運動黏度；Sp為定義的源項[16]。

湍動能k的相關(guān)方程為：

Gk+Gb-φfε-YM+Sk

(5)

式中：Gk為由平均速度梯度產(chǎn)生的湍流動能；Gb為浮力產(chǎn)生的湍流動能；YM為由于過渡擴散產(chǎn)生耗散率的貢獻量；Sk為定義的源項[16]；σk為常數(shù)。

湍動能擴散率ε方程為：

(6)

式中：C1ε、C2ε和C3ε均為常數(shù)；σk≈1.0；σε≈1.3；Sε為定義的源項[16]。

2.2 計算模型及網(wǎng)格劃分

如圖1所示，采用UG軟件建立夏特電站水輪機機型HLJF0904-LJ-302的三維模型，網(wǎng)格劃分見圖2。

圖1 水輪機全流道三維模型

圖2 全流域網(wǎng)格劃分及活動導(dǎo)葉網(wǎng)格局部放大圖

對該水輪機各部件網(wǎng)格進行無關(guān)性驗證，誤差在0.05%以內(nèi)，網(wǎng)格質(zhì)量均在0.3以上，計算結(jié)果符合精度要求。水輪機各部件網(wǎng)格數(shù)見表4。

表4 各部件網(wǎng)格數(shù)

2.3 數(shù)值計算方法

標準k-ε湍流模型是目前最常用的求解兩相流的方法，能全面考慮顆粒相的運輸特性，穩(wěn)定性好，適用范圍廣，故本研究采用固液兩相標準k-ε湍流模型。假設(shè)沙水為不可壓縮流體，沙粒為球形且尺寸均勻，流體相和泥沙顆粒相均不發(fā)生相變。設(shè)計工況設(shè)置如下：導(dǎo)葉開度為154 mm，蝸殼進口體積流量為27.67 m3/s。沙水在水輪機過流部件中進行三維湍流流動后，可得到水輪機導(dǎo)葉表面局部泥沙體積分數(shù)、導(dǎo)葉近壁面沙水流速大小和方向的分布情況。

采用Ansys軟件進行前處理：設(shè)置泥沙中值粒徑為0.1 mm，泥沙參考溫度為25 ℃，壓力為101 kPa，動力黏度為8.899×10-4kg/(m·s)，整個過程考慮重力效應(yīng)。

2.4 模擬結(jié)果及分析

圖3給出了設(shè)計工況下導(dǎo)葉流域50%葉高處的沙水流速分布。由于該混流式水輪機水頭較高，導(dǎo)葉流域整體速度較大。由切削磨損原理可知，導(dǎo)葉泥沙磨損的嚴重程度取決于沙水的動能。相較于固定導(dǎo)葉，活動導(dǎo)葉流域速度更大，因此活動導(dǎo)葉的泥沙磨損現(xiàn)象更嚴重。

圖3 導(dǎo)葉流域50%葉高處沙水流速分布

圖4為設(shè)計工況下50%葉高處導(dǎo)葉近壁面沙水繞流速度分布。根據(jù)導(dǎo)水機構(gòu)的工作原理，從導(dǎo)葉進口到出口，壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)樗俣葎菽?，最大沙水繞流速度出現(xiàn)在活動導(dǎo)葉背面尾部。由于來流速度較大，沙水撞擊導(dǎo)葉頭部，造成其能量損失，導(dǎo)葉頭部附近流域的速度減小，最小沙水繞流速度出現(xiàn)在活動導(dǎo)葉頭部附近。在設(shè)計工況下，活動導(dǎo)葉沙水繞流速度普遍為10～35 m/s，活動導(dǎo)葉背面沙水繞流速度普遍大于工作面(即對流體做功的壓力面)。

圖5給出了設(shè)計工況下導(dǎo)葉流域50%葉高處局部泥沙體積分數(shù)分布。由于在導(dǎo)葉流域運動過程中，沙水與導(dǎo)葉頭部和尾部發(fā)生碰撞和摩擦，致使泥沙在導(dǎo)葉頭部和尾部發(fā)生積集。泥沙體積分數(shù)越高，意味著更多的泥沙參與對導(dǎo)葉表面材料的磨損。

圖4 50%葉高處導(dǎo)葉近壁面沙水繞流速度分布

圖5 導(dǎo)葉流域50%葉高處局部泥沙體積分數(shù)分布

圖6給出了設(shè)計工況下50%葉高處導(dǎo)葉表面局部泥沙體積分數(shù)分布?；顒訉?dǎo)葉表面泥沙體積分數(shù)低于0.013，最大泥沙體積分數(shù)為0.012 5?？傮w上，導(dǎo)葉工作面泥沙體積分數(shù)更大，泥沙體積分數(shù)分布規(guī)律由導(dǎo)葉頭部至尾部呈逐級遞減趨勢。

圖6 50%葉高處導(dǎo)葉表面局部泥沙體積分數(shù)分布

3 試驗研究

3.1 試驗原理

通過數(shù)值模擬可得到繞活動導(dǎo)葉流動的沙水速度和流線分布，以及導(dǎo)葉表面泥沙體積分數(shù)分布，從而提取出導(dǎo)葉流道，以此為依據(jù)設(shè)計其試驗裝置，再進行磨損試驗。試驗?zāi)Ｐ团c真實過流通道的流動條件保持相似，從而保證試驗結(jié)果和真實結(jié)果相吻合。

3.2 試驗系統(tǒng)

如圖7所示，泥沙磨損試驗系統(tǒng)由冷卻系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、沙水系統(tǒng)和試驗段組成。系統(tǒng)最大動力為630 kW，多級離心泵揚程為376 m，最大體積流量為482 m3/h?，F(xiàn)場采集沙樣，按試驗?zāi)嗌丑w積分數(shù)進行配比。

1―電磁流量計；2―流量調(diào)節(jié)閥；3―泵；4―扭矩計；5―電機；6―壓力表；7―冷卻水管；8―沙水混合池；9―冷卻水池。

3.3 試驗工況

根據(jù)夏特電站水輪機設(shè)計參數(shù)和運行范圍，給出相關(guān)試驗工況參數(shù)，如表5所示。

表5 相關(guān)試驗工況參數(shù)

3.4 磨損測量

試驗前，首先對活動導(dǎo)葉表面測量位置進行標記，并保證在試件磨損前后測得同一位置表面形貌數(shù)據(jù)，在活動導(dǎo)葉嵌入凹槽的端面刻點，以保護標記線不會被磨損。活動導(dǎo)葉空間坐標方向見圖8，其中X軸、Y軸和Z軸分別表示活動導(dǎo)葉的弦向方向、高度方向和表面厚度方向。試驗前后磨損測量沿導(dǎo)葉高度方向進行。

圖8 活動導(dǎo)葉標記示意圖

4 試驗結(jié)果及分析

4.1 導(dǎo)葉表面磨損分析

設(shè)計工況下，活動導(dǎo)葉不同部位的磨損情況不盡相同。磨損后，活動導(dǎo)葉表面密實，呈現(xiàn)金屬光澤。由于活動導(dǎo)葉在試驗箱體中不斷受到具有一定動能的堅硬沙粒沖刷，形成塑性沖擊坑，局部出現(xiàn)魚鱗坑、裂紋、波紋以及溝槽。活動導(dǎo)葉磨損嚴重區(qū)域見圖9標識處，尖角沙粒在垂直沖擊下會更深地楔入材料表面，造成活動導(dǎo)葉頭部出現(xiàn)較為明顯的凹槽和缺口。而在活動導(dǎo)葉尾部，尖銳的沙粒以幾乎平行于材料表面的方向沖擊活動導(dǎo)葉，進行微切削，由于沙粒壓入表面很淺而水平切削距離較長，形成細微劃痕。活動導(dǎo)葉被磨損后，不光滑的表面加速了漩渦的產(chǎn)生，進一步加劇了磨損程度。

(a) 磨損前

(b) 磨損后

4.2 磨損測量結(jié)果

通過導(dǎo)葉下端面基準面的校準數(shù)據(jù)，再用泥沙磨損試驗前后所測得的表面深度作差，其差值為試件表面的磨損深度。白光干涉儀單視場偽色視圖見圖10。

4.3 磨損率計算公式

(7)

式中：k為泥沙顆粒特性、導(dǎo)葉部件材質(zhì)特性以及其他影響的系數(shù)；φp,s為導(dǎo)葉部件表面局部泥沙體積分數(shù)；W為沙水或沙粒沖擊導(dǎo)葉部件表面的相對速度大小，m/s；n為速度系數(shù)；f(α)為沖角函數(shù)；α為沙水或沙粒沖擊導(dǎo)葉部件表面的角度，(°);n為速度系數(shù)。

(a) 磨損前

(b) 磨損后

(8)

式中：A、B、C、D、E、F、G均為系數(shù)。

表6 導(dǎo)葉標記點試驗數(shù)據(jù)

采用非線性曲線進行擬合，迭代算法為Levenberg-Marquardt 優(yōu)化算法，求解得到磨損率公式的相關(guān)回歸系數(shù)。泥沙磨損率公式擬合相關(guān)參數(shù)見表7，其中R2表示擬合度。磨損率計算公式的擬合系數(shù)見表8。

表7 泥沙磨損率公式擬合相關(guān)參數(shù)

表8 磨損率計算公式的擬合系數(shù)

由表7中R2數(shù)值可知，公式擬合較好。將表8中的擬合系數(shù)回歸于水輪機導(dǎo)葉部件的泥沙磨損率公式中，可以得到新疆夏特電站水輪機活動導(dǎo)葉磨損率公式。

2.671 0α2+2.009 9α3-0.727 2α4+

0.117 0α5-0.005 9α6)

(9)

式(9)也可用于HLJF0904-LJ-302水輪機在任何運行工況下導(dǎo)葉泥沙磨損情況的預(yù)估，可為減少克孜勒蘇河流域上水電站過流部件的表面磨損提供參考，延長在多泥沙河流水電站工作的設(shè)備壽命，并改善其抗磨措施，維護電站運行安全，進一步提高經(jīng)濟效益。

5 結(jié) 論

(1) 活動導(dǎo)葉背面沙水繞流速度普遍大于工作面，且由于泥沙在流入固定導(dǎo)葉和活動導(dǎo)葉的運動過程中與導(dǎo)葉頭部和尾部發(fā)生碰撞和摩擦，泥沙積集于導(dǎo)葉頭部和尾部。總體上，導(dǎo)葉工作面局部泥沙體積分數(shù)大于背面，泥沙體積分數(shù)分布規(guī)律由頭部至尾部呈逐級遞減趨勢。

(2) 由于導(dǎo)葉頭部局部泥沙體積分數(shù)高，沙粒沖擊導(dǎo)葉部件表面的角度大，導(dǎo)致磨損量較大，出現(xiàn)凹槽和缺口?；顒訉?dǎo)葉背面較大的沙水繞流速度會造成較大的磨損，導(dǎo)致出現(xiàn)魚鱗坑、裂紋以及波紋。

(3) 給出了新疆夏特電站水輪機活動導(dǎo)葉磨損率計算公式，依據(jù)此公式也可預(yù)估類似河流泥沙特性和類似材質(zhì)水輪機過流部件的泥沙磨損情況。