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        混流式水輪機改造前后轉輪內固液兩相流數(shù)值分析

        2017-09-03 11:04:16張文明
        水力發(fā)電 2017年5期
        關鍵詞:轉輪固液水輪機

        廖 姣,張文明,張 興

        (西華大學能源與動力工程學院,四川成都610039)

        混流式水輪機改造前后轉輪內固液兩相流數(shù)值分析

        廖 姣,張文明,張 興

        (西華大學能源與動力工程學院,四川成都610039)

        為了探究混流式水輪機改造前后轉輪泥沙磨損情況,采用固液兩相流模型對某電站改造前后的混流式水輪機進行全流道數(shù)值模擬,分析不同工況下轉輪葉片表面泥沙分布,轉輪葉片表面固液兩相速度差,以及水輪機效率。結果表明:小流量工況下泥沙磨損最嚴重;水輪機改造后,葉片表面泥沙體積分數(shù)下降,固液兩相速度差減少,泥沙磨損減弱,水輪機效率較改造前提升了5.5%。該研究可為水輪機改造提供一定的參考。

        泥沙;數(shù)值模擬;改造;混流式水輪機

        0 引 言

        目前我國在運行的大部分老水電站,由于當時技術水平和制造水平的落后,導致出現(xiàn)機組過流部件發(fā)生嚴重的磨損、主軸密封泄露、機組運行性能指標落后等現(xiàn)象,電站改造問題亟待解決[1]。近年來,基于數(shù)值試驗的水輪機改造技術已經得到了廣泛的運用,并取得了很好的結果[2]。Hyen-Jun等通過對改造后水輪機進行全流道三維定常計算,分析水輪機內流場特性,將數(shù)值試驗與模型試驗結果進行對比,發(fā)現(xiàn)結果吻合[2]。羅麗等通過對改造前后水輪機進行全流道三維非定常湍流數(shù)值模擬,對比分析改造前后水輪機的空化性能[3]。

        由于我國河流泥沙含量較高,水輪機泥沙磨損問題較為突出,泥沙磨損對水電機組的運行性能有很大影響,目前國內針對改造前后水輪機泥沙磨損問題的對比分析相對較少[4]。本文在以上研究的基礎上,針對四川省岷江支流某電站機組技術改造工程,對改造前后水輪機進行固液兩相流分析,分析改造前后水輪機泥沙磨損情況,為水輪機改造提供一定的參考。

        1 計算模型與方法

        1.1 改造基本情況

        某水電站位于四川省岷江某支流,由于長短葉片式轉輪可以增加水輪機高效率區(qū),空化系數(shù)小,且運行穩(wěn)定性高,改造工程將常規(guī)葉片式轉輪改為長短葉片式轉輪,水輪機改造前后參數(shù)見表1。改造前轉輪為常規(guī)葉片式,葉片數(shù)為17個,改造后轉輪為長短葉片式,型號為A542,包括15個長葉片和15個短葉片??紤]短葉片出水邊受到科氏力的影響,將短葉片的出水邊略靠近前一個長葉片,這樣可以減少由于過多的速度差而引起的水力損失[5]。

        表1 水輪機改造前后參數(shù)

        幾何模型如圖1所示,為保證湍流充分發(fā)展,使其更接近真實流場的邊界條件,對蝸殼進口做了適當延伸[5]。

        圖1 全流道三維模型

        1.2 數(shù)值計算方法

        全流道采用適應性強的非結構化四面體網格,改造前全流道計算域單元總數(shù)455萬個,網格節(jié)點數(shù)76萬個;改造后全流道計算域單元總數(shù)487萬個,網格節(jié)點數(shù)82萬個。

        在進行流體流動研究過程中,采用基于有限元的有限體積法對計算域進行離散,求解不可壓縮流體的時均N-S方程。數(shù)值上取泥沙密度為2 650 kg/m3。對于液體相,采用RNGk-ε模型;對于固體相,采用離散相零方程模型[6]。根據(jù)電站運行的實際情況,選擇來流泥沙顆粒直徑d=0.01 mm,泥沙體積分數(shù)α=0.1%,對不同工況下,改造前后水輪機轉輪進行數(shù)值分析。

        1.3 邊界條件

        本文主要根據(jù)電站實際情況,選取具有代表性的工況進行計算,工況參數(shù)見表2。水輪機進口采用質量流量進口,出口采用壓力出口。壁面邊界條件需分開定義,液體相采用無滑移邊界條件,固體相采用自由滑移邊界條件,流體內近壁區(qū)采用標準的壁面函數(shù)法,轉輪與活動導葉、尾水管之間的動靜耦合交界面設置為Frozen Rotor Stator。進行單相計算以后,將其計算值作為多相計算域的初始條件。

        表2 工況參數(shù)

        2 計算結果與分析

        2.1 改造前后轉輪葉片表面泥沙分布情況

        圖2給出不同工況下改造前后水輪機轉輪葉片表面泥沙分布圖。觀察可以發(fā)現(xiàn),改造前的常規(guī)葉片水輪機泥沙分布總體表現(xiàn)不均勻,經過活動導葉繞流后的水流沖擊到高速旋轉的轉輪葉片時,會在轉輪葉片頭部形成強烈的撞擊,致使葉片進水邊泥沙含量較高,由于泥沙在重力作用下有向下運動的趨勢,導致整個葉片靠近下環(huán)處泥沙體積分數(shù)較大,而且越靠近出水邊泥沙體積分數(shù)越大。改造后的長短葉片水輪機轉輪長葉片表面泥沙分布不均勻,但是相對改造前有一定的改善,泥沙分布規(guī)律和常規(guī)葉片基本一致,在葉片進水邊和葉片出水邊靠下環(huán)處泥沙體積分數(shù)較大,葉片靠近下環(huán)處泥沙體積分數(shù)較大,而且越靠近出水邊泥沙體積分數(shù)越大,由此可見推測,葉片進水邊和出水邊是泥沙磨損較為嚴重的區(qū)域。改造后葉片表面泥沙體積分數(shù)整體有所下降,表明改造后泥沙磨損現(xiàn)象得到了很好的改善。觀察改造前不同工況的泥沙分布圖,可以發(fā)現(xiàn),小流量工況下泥沙含量最大,且泥沙分布不均勻性更強,額定工況下泥沙含量最小,且泥沙分布最均勻,表明小流量工況下泥沙磨損最嚴重。

        圖2 各工況下改造前后水輪機轉輪葉片表面泥沙分布

        2.2 改造前后轉輪葉片表面泥沙速度分布

        圖3給出改造后長葉片額定工況下的泥沙顆粒速度分布圖,由圖示可以看出,水輪機轉輪葉片表面泥沙顆粒速度從進水到出水均勻降低,等值線近似與進水邊平行,速度場沒有明顯的畸變。為了更加具體的分析泥沙對葉片表面磨損情況,在葉片工作面中部等參數(shù)選取10個數(shù)據(jù)取樣點,如圖3所示。

        圖3 葉片表面泥沙速度

        水流攜帶泥沙在轉輪中運動的時候,由于慣性力作用,導致泥沙和水流的速度不一致,產生相對滑移,泥沙和水流的速度差的絕對值ΔV是轉輪葉片表面泥沙分布不均勻的主要原因,轉輪葉片表面兩相速度差將直接決定泥沙顆粒對壁面的磨損能力,間接反映出泥沙顆粒對葉片表面的磨損情況[9]。圖4給出不同工況(小流量工況20 MW,額定工況40 MW,大流量工況44 MW)下轉輪葉片表面取樣點兩相速度差曲線圖,可以發(fā)現(xiàn),改造前后葉片速度差分布趨勢基本一致,速度差從葉片進水邊到葉片出水邊出現(xiàn)先減小后增大的趨勢,在葉片進水邊和葉片出水邊處速度差較大,表明泥沙對葉片進水邊和出水邊磨損較為嚴重。小流量工況下葉片表面兩相速度差最高,額定工況下葉片表面兩相速度差最低,表明小流量工況下葉片泥沙磨損最嚴重。對比改造前后速度差可以發(fā)現(xiàn),各工況下改造后的葉片表面兩相速度差均比改造前小,表明改造后改善了水流的穩(wěn)定性,提高了轉輪抗磨損能力。

        圖4 不同工況下轉輪葉片表面取樣點兩相速度差

        2.3 改造前后水輪機外特性分析

        為了分析改造對水輪機效率影響,表3給出額定工況下,改造前后水輪機處于清水介質和含沙水介質中的效率,以及各水輪機清水介質中與含沙水介質中的效率差。由下表可知,清水介質條件下,改造后水輪機效率有顯著提升,提高了4.9%左右,泥沙介質條件下,改造后水輪機效率比改造前提升了5.5%,表明改造提升了水輪機效率。改造后泥沙顆粒存在所引起的效率降有所減小,說明改造后泥沙對水輪機效率影響變小,增加了水輪機的抗泥沙能力。

        表3 改造前后泥沙對水輪機效率的影響

        3 結 語

        本文通過建立固液兩相流體模型,對不同工況下,改造前和改造后水輪機轉輪葉片表面泥沙分布、轉輪葉片表面固液兩相速度差、水輪機效率進行分析,得到如下結論:

        (1)改造前后轉輪葉片表面泥沙分布規(guī)律一致,在葉片進水邊和出水邊靠下環(huán)處泥沙濃度較大,改造后的長短葉片式水輪機葉片表面泥沙分布較改造前均勻,且泥沙體積分數(shù)整體有所下降,尤其是對小流量工況下的泥沙分布有很好的改善。

        (2)泥沙顆粒速度從進水邊到出水邊勻降低,等值線近似與進水邊平行。在葉片進水邊和出水邊處固液兩相速度差最大,是葉片磨損最嚴重的部位,小流量工況下轉輪葉片各部位固液兩相速度差比大流量工況大,額定工況下各部位固液兩相速度差最小。

        (3)改造后水輪機效率有明顯的改善,泥沙介質條件下,改造后水輪機效率比改造前提升了5.5%,減小的泥沙對水輪機效率的影響。

        [1]賴喜德, 吉雷, 李慶剛, 等. 基于數(shù)值試驗的水輪機改造新方法[J]. 水利水電技術, 2005, 36(6): 81- 84.

        [2]CHOI H J. ZULLAH M A, ROH H W, et al. CFD Validation of performance improvement of a 500 kW Francis turbine[J]. Renewable Energy, 2012(6): 111- 123.

        [3]羅麗, 李景悅. 混流式水輪機改造前后內部流動特性對比分析[J]. 水電能源科學. 2016, 34(4): 139- 142.

        [4]張廣, 魏顯著. 泥沙濃度及粒徑對水輪機轉輪內部流動影響的數(shù)值分析[J]. 農業(yè)工程學報, 2014, 30(23): 94- 100.

        [5]朱李, 賴喜德. 長短葉片混流式水輪機流動特性分析[J]. 中國農村水利水電, 2015, (6): 162- 165.

        [6]汪家瓊, 蔣萬明, 孔繁余, 等. 基于Particle模型固液兩相流離心泵流場數(shù)值模擬[J]. 排灌機械學報, 2013, 31(10): 847- 850.

        (責任編輯 高 瑜)

        Numerical Analysis of Solid-liquid Two-phase Flow of Runner Before and After Reformation of Francis Turbine

        LIAO Jiao, ZHANG Wenming, ZHANG Xing
        (School of Energy and Power Engineering, Xihua University, Chengdu 610039, Sichuan, China)

        In order to gain the sediment erosion of Francis turbine before and after reformation, full passage numerical simulation of Francis turbine before and after reformation are carried out based on flow model of solid-liquid two-phase. The sediment distributions, velocity difference between solid and liquid phases of runner blade surface and turbine efficiency are analyzed under different operating conditions. The results show that, (a) the most serious sediment erosion occurs under small flow condition; (b) after reformation, the volume fraction of sediment on runner blade surface is decreased, the velocity difference between solid and liquid phases is decreased, the sediment erosion is reduced, and the efficiency of turbine is increased by 5.5%.

        sediment; numerical simulation; reformation; Francis turbine

        2016- 09- 10

        國家自然科學基金資助項目(51379179);西華大學研究生創(chuàng)新基金資助項目(ycjj2016198);流體及動力機械四川省科技創(chuàng)新研究團隊(2011JTD0016)

        廖姣(1993—),女,四川廣安人,碩士研究生,研究方向為流體機械數(shù)字化設計與制造.

        TV734.1

        A

        0559- 9342(2017)05- 0073- 03

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