李 金

(1.西華大學 流體及動力機械教育部重點實驗室，四川 成都 610039； 2.西華大學 能源與動力工程學院，四川 成都 610039)

1 研究背景

近年來，由于水輪發(fā)電機組運行的不穩(wěn)定性，導致水電站因不能滿負荷發(fā)電而影響到電站正常運行的現(xiàn)象日益增多，其中，尾水管渦帶的產(chǎn)生對不穩(wěn)定性的影響較為顯著[1-3]。國內(nèi)外許多學者對此進行了大量研究，并取得了一定成效。齊繼賀[4]，敏政[5]及李怡心[6]等對水輪機進行了全流道數(shù)值模擬，據(jù)此研究了尾水管渦帶形狀的變化規(guī)律。他們的研究結果表明，在大流量工況下，尾水管內(nèi)會出現(xiàn)“柱狀”空腔渦帶。鐘林濤[7]等對某水電站混流式水輪機在3種典型工況下的狀況進行了非定常計算，結果發(fā)現(xiàn)，尾水管螺旋形渦帶的形成與轉輪出口旋流數(shù)的大小密切相關。O Kirschner等[8]采用PIV技術對尾水管內(nèi)的渦流結構和流動特性進行了研究，結果表明，壓力波動是產(chǎn)生渦流的主要原因。陳阿龍[9]采用RNGk-ε湍流模型對水泵水輪機尾水管渦帶進行了仿真計算，通過計算發(fā)現(xiàn)，尾水管渦帶的產(chǎn)生與直錐段的旋渦流動密切相關，而且受流量、轉輪轉速以及空化系數(shù)的影響較大。Zeng等基于PIV計算，采用Fluent軟件，對混流式水輪機尾水管進行了非定常數(shù)值模擬，模擬發(fā)現(xiàn)，在設計工況下尾水管內(nèi)部無渦流存在[10]。王劍鵬主要采用CFX軟件，對部分負荷工況下某水電站機組尾水管的內(nèi)部流動進行了數(shù)值模擬研究[11],研究結果表明：在接近最優(yōu)工況時,尾水管內(nèi)部渦帶呈細的圓錐體狀且水流流線均勻、穩(wěn)定。Anup K C等采用ANSYS CFX軟件，對混流式水輪機尾水管非定常渦行為和流動不穩(wěn)定性進行了數(shù)值分析[12]，分析發(fā)現(xiàn)，J型槽對于水輪機尾水管內(nèi)渦流有顯著地控制作用。R Susan-Resiga等通過射流控制法改變轉輪出口速度的方式，有效地抑制了渦帶[13]。

與此同時，我國學者楊錫平[14]、張云龍[15]對尾水管內(nèi)渦帶的改良也進行了相關研究。Wang等通過對尾水管內(nèi)螺旋渦核建立數(shù)學模型進而分析了渦核截面內(nèi)部的速度分布和旋轉頻率[16]。鄭源等[17]針對某貫流式水輪機進行了數(shù)值模擬并研究了尾水管渦帶的特性，研究結果表明，尾水管內(nèi)的渦帶是引起水輪機內(nèi)低頻壓力脈動的主要因素。王磊等基于氣泡動力學的兩相流方法,通過對某混流式模型水輪機進行非定?？栈鲃臃治觯l(fā)現(xiàn)隨著空化的發(fā)展，尾水管空腔渦帶對機組不穩(wěn)定運行的影響顯著增大[18]。

除了上述文獻之外，還有大量學者對水輪機尾水管內(nèi)流動特性也進行了不同程度的研究，并取得了一些有價值的成果[19-21]。

由上述文獻可知，國內(nèi)對水輪機尾水管內(nèi)的流動特性的研究較多，但大部分是基于理論研究，而本文將從福堂水電站水輪機尾水管內(nèi)水力振動較大的工程實際問題出發(fā)，分析該水電站出現(xiàn)較大的水力振動的原因，進而為該水電站的后續(xù)改造提供參考依據(jù)。

2 混流式水輪機型式及基本參數(shù)

本文所研究的對象為福堂水電站，該水電站位于四川省阿壩州藏族羌族自治州汶川縣境內(nèi)的岷江干流上，總裝機容量為360 MW。福堂水電站的混流式水輪機型式及其基本參數(shù)如下：水輪機型號為HLD307-LJ-290；額定出力為92.3 MW；最大出力為107.0 MW；最大水頭為184.0 m；額定水頭為159.3 m；額定流量為62.7 m3/s；額定轉速為272.7 r/min；最大吸出高度為-3 m。

3 水力模型建立及網(wǎng)格劃分

水輪機過流部件水力模型由5個部分組成，分別為蝸殼、固定導葉、活動導葉、轉輪水體和尾水管。利用Unigraphics NX軟件，建立了水輪機過流部件的三維水力模型，如圖1所示。

圖1 水輪機三維幾何模型Fig.1 3D geometric model of turbine

建模完成后進行了網(wǎng)格劃分。由于水輪機各過流部件結構復雜，而且轉輪葉片為三維扭曲曲面，形狀不規(guī)則，因此選擇采用非結構網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分，并對部分區(qū)域進行了局部加密處理，這樣既能保證使網(wǎng)格的生成速度及數(shù)值計算時間減少，也能保障計算的精度。通過對網(wǎng)格進行無關性驗證，最終確定的計算域網(wǎng)格總數(shù)在500萬左右，網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 水輪機網(wǎng)格劃分Fig.2 Turbine meshing

4 邊界條件設置

采用CFD商用軟件對水輪機全流道進行了數(shù)值模擬。將導葉和轉輪之間設置為旋轉交界面。將尾水管進口邊界條件設置為總壓力進口，出口為靜壓出口，壁面選用無滑移、光滑壁面，工作介質(zhì)為水，參考壓力為一個大氣壓。本文分別在最低水頭、額定水頭和最高水頭下對100%開度時尾水管內(nèi)的流動特性進行分析。

5 計算結果及分析

5.1 尾水管斷面壓力分布

在100%開度所對應的不同水頭下，選取了尾水管進口作為參考斷面進行分析。尾水管不同位置的截面圖如圖3所示。

圖3 尾水管截面Fig.3 Draft tube section

圖4為不同水頭下參考斷面的壓力分布狀況。由圖4可以看出，在不同水頭下，整個參考斷面的壓力均為負壓區(qū)，最大和最小壓力差值較大，而且隨著水頭的增加，主負壓區(qū)逐漸由截面的中間區(qū)域向邊緣移動。由于截面邊緣處的壓力分布明顯不均勻，極易導致尾水管中產(chǎn)生較為嚴重的壓力脈動，即出現(xiàn)水力振動，從而引發(fā)抬機事故的發(fā)生。

由圖4還可以看出，隨著水頭的增加，截面上的壓力逐漸減小，而最大和最小壓力差值逐漸增大。在最高水頭時，其壓力最低，而且主負壓區(qū)發(fā)生偏轉，亦即在該工況下易形成空化渦帶，這對水輪機組的安全穩(wěn)定運行會帶來較大影響。

圖4 不同水頭下參考斷面的壓力分布狀況Fig.4 Pressure distribution of the reference section under different heads

5.2 尾水管中間軸面壓力分布

圖5為不同水頭下尾水管中間軸面的壓力云圖。由圖5可知，在最低水頭下，尾水管進口區(qū)域存在著明顯的負壓區(qū)。隨著水頭的增加，該負壓區(qū)逐漸增大，當水頭達到最大水頭時，該負壓區(qū)出現(xiàn)了螺旋狀分布規(guī)律，說明在這部分區(qū)域形成了空化渦帶，這將對水輪發(fā)電機組的安全穩(wěn)定運行造成較大的影響。同時，由圖5還可以看出，隨著水頭的增加，尾水管內(nèi)壓力分布的均勻性也逐漸變差。

5.3 尾水管中間軸面的速度流線

圖6為不同水頭下尾水管中間軸面的速度流線圖。由圖6(a)可以看出：在最低水頭下，尾水管內(nèi)的流動非常穩(wěn)定，流線呈均勻分布。由圖6(b)可以看出：在額定水頭下，尾水管進口段的流動變得紊亂，同時尾水管進口段還出現(xiàn)了交替分布的旋渦，而且尾水管內(nèi)的最大速度大于最低水頭下的最大速度。隨著水頭的繼續(xù)增加，當水頭達到最大水頭時，由圖6(c)可以看出：尾水管進口段出現(xiàn)了非常明顯的交替旋渦，而且尾水管出口位置也出現(xiàn)了較大的旋渦，這種狀況極易引起尾水管內(nèi)水力振動的加劇；同時，較大旋渦的出現(xiàn)也易引起尾水管內(nèi)較大的水力損失。結合上述壓力分布結果可知，在該工況下出現(xiàn)了明顯的空化渦帶，這將導致水輪發(fā)電機組出現(xiàn)較大的振動。因此，可以確定該水電站水力發(fā)電機組振動較大的主要原因之一，就是尾水管內(nèi)形成了較嚴重的空化渦帶，從而加劇了水力振動對機組振動的影響。

5.4 尾水管中間軸面的速度

圖7為不同水頭下尾水管中間軸面的速度云圖。

圖5 尾水管中間軸面的壓力云圖Fig.5 Pressure contour of the axial surface of the draft tube

圖6 尾水管中間軸面的速度流線Fig.6 Velocity streamline of the axial surface of the draft tube

圖7 尾水管中間軸面的速度云圖Fig.7 Velocity contour of the axial plane of the draft tube

由圖7可以看出：流體進入尾水管時，整體上，入口段中心處的速度小于壁面附近的速度，且流體流出尾水管后的速度整體上降低。在不同工況下，尾水管中間軸面速度分布不同，在水頭較小時，尾水管內(nèi)的速度分布較為均勻，速度從進口到出口逐漸降低，尾水管內(nèi)流動較為穩(wěn)定；而隨著水頭的增加，尾水管內(nèi)速度分布的均勻性逐漸變差，且尾水管進口段的高速區(qū)域增加。同時，由圖7還可以看出：在各種水頭下，尾水管進口段中間位置出現(xiàn)了低速區(qū)，且低速區(qū)周圍圍繞著高速區(qū)，說明在該工況下，這些位置容易出現(xiàn)旋渦，即對水輪機尾水管進口來說易出現(xiàn)明顯的渦帶。

6 結 論

(1) 在100%開度下，尾水管進口段存在著明顯的負壓區(qū)，隨著水頭的增加，該負壓區(qū)逐漸增大，當水頭達到最大水頭時，該負壓區(qū)出現(xiàn)了螺旋狀分布規(guī)律，即在這部分區(qū)域形成了空化渦帶；而且隨著水頭的增加，尾水管內(nèi)壓力分布的均勻性逐漸變差。

(2) 在最低水頭下，尾水管內(nèi)的流動非常穩(wěn)定，流線呈均勻分布；在額定水頭下，尾水管進口段的流動變得紊亂，同時尾水管進口段出現(xiàn)了交替分布的旋渦；隨著水頭的繼續(xù)增加，當水頭達到最大水頭時，尾水管進口段出現(xiàn)了非常明顯的交替旋渦。結合壓力分布結果可知：在該工況下出現(xiàn)了明顯的空化渦帶，空化渦帶的出現(xiàn)將導致水輪發(fā)電機組出現(xiàn)較大的振動。因此，該水電站水力發(fā)電機組振動較大的主要原因之一，就是尾水管內(nèi)形成了較嚴重的空化渦帶，從而加劇了水力振動對機組振動的影響。

(3) 在水頭較小時，尾水管內(nèi)速度分布較為均勻，速度從進口到出口逐漸降低，尾水管內(nèi)流動較為穩(wěn)定，而隨著水頭的增加，尾水管內(nèi)速度分布的均勻性逐漸變差，且尾水管進口段的高速區(qū)域增加；在各種水頭下，尾水管進口段的中間位置出現(xiàn)了低速區(qū)，而且低速區(qū)周圍圍繞著高速區(qū)。