張惟斌，韓　濤，江啟峰，唐　健，趙　璽

(1.西華大學(xué)流體及動力機械教育部重點實驗室，四川成都610039；

2.映秀灣水力發(fā)電總廠，四川都江堰611800 )

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帶轉(zhuǎn)輪泵的頂蓋取水裝置流動特性研究

張惟斌1，韓濤2，江啟峰1，唐健1，趙璽1

(1.西華大學(xué)流體及動力機械教育部重點實驗室，四川成都610039；

2.映秀灣水力發(fā)電總廠，四川都江堰611800 )

摘要：為研究帶轉(zhuǎn)輪泵的頂蓋取水裝置取水裝置的內(nèi)部流動特性，以漁子溪電站水輪發(fā)電機組的頂蓋取水裝置為例，針對其額定運行工況，采用基于有限元的有限體積法，結(jié)合CFD軟件平臺，對取水裝置內(nèi)部的流場分布和主軸密封真空度進(jìn)行了數(shù)值計算，并將部分計算結(jié)果與現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗證了數(shù)值計算方法的可靠性。在此基礎(chǔ)上，針對變轉(zhuǎn)速和變流量工況，分析了該取水裝置的主軸密封真空度，轉(zhuǎn)輪泵的揚程、軸功率和效率等的變化規(guī)律。結(jié)果表明，如果要保證主軸密封內(nèi)全域無水運行，對于漁子溪電站，水輪機轉(zhuǎn)輪上止漏環(huán)密封出口處的壓力要小于推薦值(約為0.55 MPa)；計算同時發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)輪泵揚程隨轉(zhuǎn)速變大而變大，而隨流量變大而變小，其流動損失較大，水力效率較低。

關(guān)鍵詞：頂蓋取水裝置；轉(zhuǎn)輪泵；內(nèi)特性；外特性

0引言

在水頭為80 m以上的混流式水輪發(fā)電機組中，目前廣泛采用頂蓋取水方式。頂蓋取水用于機組冷卻器，具有水質(zhì)較好，水壓合適，節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點。在頂蓋取水的方式中，為了處理主軸密封處的漏水，常常在上冠上部或主軸法蘭上，設(shè)轉(zhuǎn)輪泵(多為葉片泵)結(jié)構(gòu)，將漏入主軸密封下部的水排出至頂蓋取水裝置，降低主軸密封內(nèi)的水壓，改善其工作條件。

在上述結(jié)構(gòu)中，主軸的工作密封采用無接觸間接式密封，見圖1。在機組正常運轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)輪泵的離心作用使主軸密封不接觸水，主軸密封是干的。從水輪機上止漏環(huán)處流出的泄漏水，通過轉(zhuǎn)輪泵裝置排至頂蓋取水管。在機組低于額定轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)時，泄露水可能會到達(dá)主軸密封，主軸密封在短期內(nèi)類似迷宮密封環(huán)工作，此時位于每個迷宮密封環(huán)之間的虹吸型管將密封滲漏的水引接至電站集水井。機組停機時，主軸密封下方的空氣圍帶靜密封可防止泄漏水漏過主軸密封體。

在這種結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)輪泵主要作用是在正常運行過程中防止壓力水進(jìn)入主軸密封中，使得主軸和主軸密封體均不沾水，從而使得密封體有極長的使用壽命，而且不需要潤滑和冷卻。

圖1　帶有轉(zhuǎn)輪泵的頂蓋取水裝置示意

目前對于這種轉(zhuǎn)輪泵+無接觸間接式主軸密封結(jié)構(gòu)的頂蓋取水方式，研究大多涉及結(jié)構(gòu)設(shè)計和經(jīng)驗計算[1- 6]，對轉(zhuǎn)輪泵及頂蓋取水裝置的內(nèi)部流動過程研究較少。本文以漁子溪水電站轉(zhuǎn)輪泵及無接觸間接式主軸密封的頂蓋取水方式為例，對帶轉(zhuǎn)輪泵的頂蓋取水裝置的流體動力性能進(jìn)行研究。

1流體動力模型

1.1計算模型分析

帶轉(zhuǎn)輪泵的頂蓋取水裝置中的轉(zhuǎn)輪泵主要由隨主軸一起旋轉(zhuǎn)的動葉和靜止的泵腔兩部分組成，其結(jié)構(gòu)與離心泵類似，動葉為平板結(jié)構(gòu)。機組正常運行時，轉(zhuǎn)輪泵動葉隨水輪機轉(zhuǎn)輪一起旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)輪泵的進(jìn)口形成負(fù)壓，將主軸密封中的漏水從吸入口吸入到轉(zhuǎn)輪泵的泵腔內(nèi)，泵腔中的流體在離心力等的作用下經(jīng)由轉(zhuǎn)輪出口被甩出到頂蓋取水裝置中。從而使得主軸密封內(nèi)保持無水狀態(tài)，工作原理見圖2。

圖2　工作原理示意

通過以上分析可知，為了計算轉(zhuǎn)輪泵內(nèi)的流動特性，需要對轉(zhuǎn)輪泵、主軸密封漏水處、上止漏環(huán)漏水處和頂蓋四部分進(jìn)行建模和計算。根據(jù)圖紙，通過三維建模軟件UG，建立了流道的三維幾何模型，如圖3所示。

圖3　全流道三維幾何模型

1.2控制方程及湍流模型

帶轉(zhuǎn)輪泵的頂蓋取水裝置內(nèi)部流體的流動受到連續(xù)性方程和動量方程的約束，見式(1)、(2)

(1)

(2)

式中，ρ為流體的密度;ui為流體的時均速度;fi為體積力分量;P為折算壓力;μ為粘性系數(shù);μt為湍動粘度。

根據(jù)頂蓋取水裝置內(nèi)部高應(yīng)變率和流線彎曲程度較大的流動特點，基于Boussinesq渦粘性系數(shù)的假定，采用RNG k-ε湍流模型來確定動量方程(2)中的粘性系數(shù)，RNG k-ε湍流模型的控制方程為

(3)

(4)

式(3)、(4)中，Gk為湍流動能的生成項；αk, αε分別為k方程和ε方程的湍流Prandtl數(shù)；C1ε、C2ε是已確定的模型常量。模型的近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)模型修正。

1.3計算邊界條件設(shè)置

無接觸間接式主軸密封在正常運行時無水，其流量為0；水輪機上止漏環(huán)密封漏水量[3]為100 kg/s，水輪機上止漏環(huán)密封處壓力由引出的測壓管現(xiàn)場測得，其壓力約為0.7 MPa；頂蓋取水口管路壓力現(xiàn)場測得約為0.6 MPa。

根據(jù)上述條件，數(shù)值計算邊界條件設(shè)置為：上止漏環(huán)密封斷面為圓環(huán)面，邊界條件為開放邊界，給定功率P=0.7 MPa；主軸密封漏水處為圓環(huán)面，設(shè)置為質(zhì)量流量進(jìn)口，給定質(zhì)量流量；頂蓋取水管有兩個，應(yīng)用質(zhì)量流量進(jìn)口，湍流強度為1%；轉(zhuǎn)輪泵設(shè)計轉(zhuǎn)速和水輪機轉(zhuǎn)速相同，為500 r/min，俯視順時針旋轉(zhuǎn)；環(huán)境壓力取1個大氣壓；固壁采用無滑移邊界條件。

2數(shù)值計算結(jié)果及分析

2.1正常運轉(zhuǎn)時內(nèi)部流動特性分析

首先將現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，在水輪機上止漏環(huán)密封漏水量為100 kg/s、壓力為0.7 MPa時，數(shù)值模擬得到頂蓋取水口平均壓力為0.61 MPa，和現(xiàn)場測得0.6 MPa左右的數(shù)據(jù)比較吻合，模擬結(jié)果可靠。

通過數(shù)值模擬計算發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)輪泵葉片表面壓力從葉片進(jìn)水邊的0.25 MPa逐漸增大到葉片出水邊的0.61 MPa，壓力隨葉片半徑逐漸增大，如圖4所示。泵腔內(nèi)部壓力沿圓周方向分布均勻。從進(jìn)口到出口，壓力梯度呈線形增大，見圖5。轉(zhuǎn)輪泵出口最大壓力為0.59 MPa，見下圖6，最大值位置在轉(zhuǎn)輪泵出水口處，見圖中標(biāo)號14處。

圖4　轉(zhuǎn)輪泵葉片表面壓力分布示意

圖5　轉(zhuǎn)輪泵泵腔內(nèi)部截面上壓力分布示意

圖6　轉(zhuǎn)輪泵轉(zhuǎn)輪表面壓力分布示意

轉(zhuǎn)輪泵原理類似離心泵，主要通過葉片旋轉(zhuǎn)來使流體獲得能量。由于轉(zhuǎn)輪泵進(jìn)口和一般的離心泵不同，采用從進(jìn)口圓筒擋板上開16個小孔作為流體進(jìn)口，因而進(jìn)口處流動損失較大。另外，由于主軸密封的漏水量較小，轉(zhuǎn)輪泵工作在小流量區(qū)，也使得流動損失較大。從圖7可以看出，轉(zhuǎn)輪泵共有8個直葉片，在每兩個葉片間區(qū)域，均存在2個旋向相反的較明顯的旋渦。由于轉(zhuǎn)輪泵的旋轉(zhuǎn)方向為順時針方向，從圖中可以看出，貼近葉片壓力面的旋渦較大，為逆時針旋轉(zhuǎn)，較明顯，貼近葉片吸力面的旋渦則較小，為順時針旋轉(zhuǎn)，較不明顯。

圖7　轉(zhuǎn)輪泵的泵腔截面上旋渦分布矢量

2.2上止漏環(huán)漏水壓力變化情況下主軸密封處真空度分析

轉(zhuǎn)輪泵正常工作時，主軸和主軸密封體不沾水，從而使得密封體有極長的使用壽命。也即要保證主軸密封體處產(chǎn)生一定的真空度，而該真空度由轉(zhuǎn)輪泵來保證。為了分析主軸密封處的真空度變化規(guī)律，在其他參數(shù)(流量、轉(zhuǎn)速等)不變的情況下，分別針對不同的當(dāng)水輪機上止漏環(huán)漏水壓力進(jìn)行計算。當(dāng)漏水壓力分別為0.4、0.5、0.6、0.7 MPa時，計算得出主軸密封出口壓力分別為-0.035、0.064、0.16、0.26 MPa。可以看出，隨著水輪機上止漏環(huán)密封漏水壓力的增大，主軸密封出口處的壓力也不斷增大。由于大氣壓為0.1 MPa，因此在上止漏環(huán)密封出口壓力≤0.5 MPa時，主軸密封出口處的壓力低于大氣壓，此時主軸密封體全區(qū)域均不沾水。在上梳齒密封出口壓力≥0.6 MPa時，主軸密封出口處的壓力高于大氣壓，此時主軸密封體在接近轉(zhuǎn)輪泵一端會有部分密封腔內(nèi)有水滲入。上梳齒密封出口壓力越高，則主軸密封體中滲入水的密封腔也越多。此時，由于有水的存在，會縮短主軸密封的使用壽命。

通過對上述數(shù)據(jù)插值計算，建議水輪機上止漏環(huán)密封壓力<0.55 MPa，此時主軸密封出口處的壓力<0.1 MPa，也即小于大氣壓力，此時可以保證主軸密封體中無水。事實上，該電站水輪機上止漏環(huán)密封出口處的設(shè)計壓力為0.5 MPa，但是由于上止漏環(huán)密封已運行多年，漏水量和漏水壓力均已高于設(shè)計值。

2.3轉(zhuǎn)輪泵變轉(zhuǎn)速情況下內(nèi)部各處壓力特性分析

機組運行時，水輪機上止漏環(huán)密封漏水取自水輪機轉(zhuǎn)輪和座環(huán)間隙。漏水量和導(dǎo)葉開度及水頭相關(guān)，而轉(zhuǎn)速也和導(dǎo)葉開度及水頭有關(guān)，即不同的上止漏環(huán)漏水量對應(yīng)不同的轉(zhuǎn)速。此處為了分析方便，假定流量(即上止漏環(huán)密封漏水量)不變，分析不同轉(zhuǎn)速下該頂蓋取水裝置的流動特性。

表1為轉(zhuǎn)輪泵在不同轉(zhuǎn)速下各處壓力值，可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的增大，轉(zhuǎn)輪泵進(jìn)出口壓力差也逐漸變大。由于額定轉(zhuǎn)速為500 r/min，此時的轉(zhuǎn)輪泵進(jìn)出口壓力差為0.392 MPa。從表2中也可以看出，轉(zhuǎn)輪泵出口壓力基本維持在0.635 MPa左右，這是因為在在數(shù)值計算時，水輪機上止漏環(huán)密封處的漏水壓力恒為0.7 MPa，從上止漏環(huán)密封處到轉(zhuǎn)輪泵出口這段管路的水力損失(也即壓降)基本是恒定的。表1也間接驗證了表1中主軸密封處真空度的特性：當(dāng)水輪機上止漏環(huán)密封處的漏水壓力達(dá)到0.7 MPa時，要想保證水輪機主軸密封在運行中無水，則需要轉(zhuǎn)輪泵的轉(zhuǎn)速達(dá)到600 r/min以上。

表1轉(zhuǎn)輪泵在不同轉(zhuǎn)速下各處壓力值

轉(zhuǎn)輪泵轉(zhuǎn)速/r·min-1主軸密封漏水壓力/MPa轉(zhuǎn)輪泵進(jìn)口壓力/MPa轉(zhuǎn)輪泵出口壓力/MPa進(jìn)出口壓力差/MPa3000.4960.4950.6400.1454000.3780.3760.6350.2595000.2530.2460.6370.3926000.06480.06180.6320.570

2.4轉(zhuǎn)輪泵變流量情況下軸功率、效率等外特性分析

為了獲得轉(zhuǎn)輪泵的外特性，進(jìn)而獲得整個頂蓋取水裝置的流動特性，下面針對變流量情況下頂蓋取水裝置進(jìn)行計算，計算結(jié)果見圖8。

圖8　轉(zhuǎn)輪泵特性曲線

圖8中橫坐標(biāo)為流量(即上止漏環(huán)密封漏水量)，縱坐標(biāo)從左到右分別為揚程、軸功率和效率。從圖中可以看出，隨著流量的增大，揚程逐漸變小，但變化不大，在38～39 m之間；隨著流量的增大，軸功率和效率均逐漸變大，在流量為1 800 L/min時，軸功率約為100 kW，效率約為11%。結(jié)合前述分析，由于轉(zhuǎn)輪泵主要在小流量工況下工作，且進(jìn)口流動損失較大，因此長期工作在低效率區(qū)。

3結(jié)論

本文以漁子溪電站頂蓋取水裝置為例，結(jié)合現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)，采用CFD方法，對帶轉(zhuǎn)輪泵的頂蓋取水裝置的流體動力性能進(jìn)行研究。得出以下結(jié)論：

(1) 在帶轉(zhuǎn)輪泵的頂蓋取水裝置中，當(dāng)轉(zhuǎn)輪泵的吸入流量和轉(zhuǎn)速不變時，轉(zhuǎn)輪泵的揚程是恒定的，此時，要保證主軸密封全域無水，水輪機轉(zhuǎn)輪上止漏環(huán)密封出口處的壓力必須低于某一限定值。對于漁子溪電站，該值為0.55MPa。

(2)帶轉(zhuǎn)輪泵的頂蓋取水裝置中的轉(zhuǎn)輪泵，其結(jié)構(gòu)類似開式離心泵，由于主要工作在小流量區(qū)，加之葉片為直葉片、吸入口結(jié)構(gòu)特殊等因素，水力損失較大，水力效率較低，一般<12%。

(3) 帶轉(zhuǎn)輪泵的頂蓋取水裝置中的轉(zhuǎn)輪泵，在小流量區(qū)，揚程隨流量變化不大，對于漁子溪電站，該值基本維持在39 m左右；揚程隨轉(zhuǎn)速變化明顯，對于漁子溪電站，轉(zhuǎn)速達(dá)到600 r/min時，揚程可達(dá)57 m。

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(責(zé)任編輯高瑜)

Research on Fluid Dynamic Performances of Water Taking Device from Head Cover Including Rotary Pump

ZHANG Weibin1, HAN Tao2, JIANG Qifeng1, TANG Jian1, ZHAO Xi1

(1. Key Laboratory of Fluid and Power Machinery of Ministry of Education, Xihua University, Chengdu 610039, Sichuan, China;2. Yingxiuwan General Hydropower Plant, Dujiangyan 611800, Sichuan, China)

Abstract:For studying the internal fluid dynamic performances of water taking device from head cover which includes rotary pump, the water taking device from head cover in Yingxiuwan Hydropower Station under rated operation condition is researched by using finite volume method based on finite element and CFD software. The internal flowing characteristics of water taking device and the vacuum of main shaft sealing are numerically calculated, and the results are compared with field test data. The comparison validates the reliability of numerical simulation. The change laws of the vacuum of main shaft sealing and the head, shaft power and efficiency of rotary pump under variable speed and variable flow operation conditions are also calculated. The results show that, for Yingxiuwan Hydropower Station, if the pressure in the outlet of turbine runner crown seal ring is less than 0.55 MPa, the main shaft sealing will keep operating in a whole no-water environment. Meanwhile, the head of rotary pump will increase with rotating speed increase and decrease as flow increase, and the efficiency of rotary pump is lower because of higher fluid resistance losses．

Key Words:water taking device from head cover; rotary pump; internal characteristics; external characteristics

中圖分類號：TM312

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：0559- 9342(2016)01- 0066- 04

作者簡介：張惟斌(1982—)，男，河南鎮(zhèn)平人，實驗師，研究方向為流體及動力機械的數(shù)字化設(shè)計．

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51379179)；國家自然科學(xué)基金資助項目(51279172)；流體及動力機械教育部重點實驗室開放基金項目(szjj2011- 006)

收稿日期：2015- 03- 06