馮俊，毛秀麗，鄭源，陳帝伊，董正豪

(1.中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410014；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；3.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098)

水泵水輪機(jī)系統(tǒng)由于啟停機(jī)頻繁，諸如大幅度增減負(fù)荷、事故甩負(fù)荷，以及發(fā)電轉(zhuǎn)調(diào)相等工況轉(zhuǎn)換過程多變而復(fù)雜，當(dāng)下幾乎所有投運(yùn)的抽水蓄能電站機(jī)組均存在不同程度的噪聲、振動，以及部件使用壽命達(dá)不到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)等動力學(xué)問題[1-2].現(xiàn)有水泵水輪機(jī)在典型工況及過渡過程階段運(yùn)行時，出現(xiàn)壓力脈動、振動異常、擺度超標(biāo)、抬機(jī)、掃膛等現(xiàn)象屢見不鮮，主要原因可歸結(jié)為機(jī)組內(nèi)流場的瞬態(tài)不穩(wěn)定性[3-4].因此開展水泵水輪機(jī)典型工況切換過程內(nèi)流瞬態(tài)特性研究，不僅對提高水電站運(yùn)行穩(wěn)定性和供電質(zhì)量意義重大，而且有助于提升電力系統(tǒng)安全、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平，更是高效利用清潔能源和電網(wǎng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)智能發(fā)展的需要[5-6].

水泵水輪機(jī)非穩(wěn)態(tài)流場對機(jī)組外特性的影響主要表現(xiàn)為振動和噪聲2個方面，由于水電站的噪聲影響因素繁多且無法定性計算[7]，從而該方面研究相對較少.水力機(jī)械運(yùn)行過程中產(chǎn)生的噪聲主要包含機(jī)械噪聲與流動誘導(dǎo)噪聲兩方面，其中流動誘導(dǎo)噪聲為當(dāng)下研究熱點(diǎn).主要研究方法為假設(shè)邊界封閉前提而開展的聲場仿真[7]，相關(guān)學(xué)者基于流場結(jié)果作為聲場源開展了一系列研究：周嶺等[8]提出了葉片與導(dǎo)葉間動靜干涉耦合影響是引起離心泵流道內(nèi)壓力脈動的主要原因；YANG等[9]結(jié)合計算流體力學(xué)與聲學(xué)對離心泵內(nèi)外場噪聲輻射水平及其指向性分布進(jìn)行了分析；董亮等[10]基于數(shù)值模擬和試驗(yàn)方法提出了通過改變?nèi)~片安放角控制離心泵內(nèi)外聲場噪聲輻射水平；LIU等[11]針對葉片不等間距與離心泵水動力噪聲的關(guān)系開展了數(shù)值分析；王洋等[12]分析旋渦自吸泵在小流量工況下運(yùn)行時的內(nèi)聲場特性，得到噪聲較低時對應(yīng)的葉片調(diào)制角等.然而，上述研究工作均在定導(dǎo)葉工況進(jìn)行，且在過流部件幾何形狀等對聲壓脈動影響方面的研究成果甚少.此外，公開成果多從水泵內(nèi)流場壓力脈動切入，罕見水泵水輪機(jī)工況切換過渡過程流動誘導(dǎo)噪聲研究.

文中將針對水泵水輪機(jī)甩負(fù)荷過程，采用流場與聲場相結(jié)合的方式，分析瞬態(tài)過程壓力脈動特性及其對流動誘導(dǎo)噪聲的影響，以期對改善水泵水輪機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性和提出噪聲控制方式提供參考.

1 計算模型及求解設(shè)置

1.1 水泵水輪機(jī)模型及流場求解設(shè)置

圖1為Solidedge中建立的三維研究模型，其由進(jìn)水管道、水泵水輪機(jī)(紅色框)和出水管道組成.進(jìn)、出水管道模型沿程分別為19.82和36.54 m.水泵水輪機(jī)包含：帶9個后傾式三維葉片的轉(zhuǎn)輪，其進(jìn)、出口直徑分別為300和180 mm；固定導(dǎo)葉20個，固定導(dǎo)葉域進(jìn)口直徑為730 mm；活動導(dǎo)葉域進(jìn)口直徑為480 mm，活動導(dǎo)葉20個，導(dǎo)葉高50 mm，設(shè)計工況導(dǎo)葉喉部直徑為25 mm；蝸殼及彎肘型尾水管各1個.

圖1 計算模型三維示意圖

網(wǎng)格劃分在ICEM中完成.圖2為管道、導(dǎo)葉及轉(zhuǎn)輪域網(wǎng)格放大圖.葉片區(qū)采用O-Block結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證內(nèi)容參見文獻(xiàn)[13].在先前基礎(chǔ)上對模型網(wǎng)格進(jìn)一步細(xì)化，其中轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)葉域、尾水管、蝸殼的網(wǎng)格數(shù)分別約為1.93×106，2.53×106，1.42×106和7.80×105.

圖2 部分區(qū)域網(wǎng)格放大圖

圖3為不同導(dǎo)葉開度時，水輪機(jī)工況與水泵工況試驗(yàn)值與模擬結(jié)果的對比情況[13]，圖中n11，M11和Q11分別為單位轉(zhuǎn)速、單位功率和單位流量.M11和Q11的偏差值在設(shè)計工況處不超過2%.文中甩負(fù)荷仿真過程導(dǎo)葉運(yùn)動規(guī)律參見文獻(xiàn)[13].

圖3 數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果對比

數(shù)值模擬中采用DES湍流模型[14]，其在近壁面采用RANS模型，在湍流核心區(qū)采用LES模型.進(jìn)水管道進(jìn)口設(shè)置壓力進(jìn)口(inlet, total pressure)，出口設(shè)置為自由出口(opening, entrainment).過流壁面設(shè)置為無滑移壁面，不同過流部件之間設(shè)置交界面模型為general connection.動靜面之間穩(wěn)態(tài)計算中設(shè)置凍結(jié)轉(zhuǎn)子交界面(frozen rotor)，瞬態(tài)計算中設(shè)置動靜交界面(transient rotor stator).時間步長為4.975×10-4s，相當(dāng)于轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)1°.各向動量及湍動能等收斂階數(shù)均為5階，計算流體參考溫度為20 ℃，參考壓力為101 325 Pa.

為了量化水泵水輪機(jī)甩負(fù)荷過程的內(nèi)流場特征，并將量化的流場信號輸入聲場，在導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪域內(nèi)設(shè)置監(jiān)測點(diǎn).圖4為部分監(jiān)測點(diǎn)位置示意圖，其中B1—B8，V1—V8分別位于葉片、活動導(dǎo)葉中間型線；SV2—SV17位于固定導(dǎo)葉喉徑中點(diǎn)位置；GV2—GV17位于活動導(dǎo)葉喉徑中點(diǎn)位置；RP1—RP3位于尾水管進(jìn)口半徑方向等距點(diǎn).

圖4 導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪葉片部分監(jiān)測點(diǎn)位置

1.2 聲場邊界域網(wǎng)格及場點(diǎn)設(shè)置

LMS Virtual.Lab Aoustics用于仿真流動誘導(dǎo)噪聲，其中聲音信號的反射、衍射和折射等現(xiàn)象均不考慮.為了提高聲學(xué)計算的準(zhǔn)確性，根據(jù)間接聲學(xué)邊界域法，假設(shè)聲場中涉及的每個波長內(nèi)至少包含6個聲學(xué)網(wǎng)格單元，即聲場網(wǎng)格單元最大長度應(yīng)小于最大頻率的1/6聲波波長，或小于最高計算頻率點(diǎn)處波長的1/6.換言之，對于二次單元，最大單元的邊長應(yīng)小于計算頻率最短波長的1/3，或者小于最高計算頻率點(diǎn)處波長的1/3.假設(shè)聲音在水中的傳播速度為vs，網(wǎng)格單元的長度為ls，所給單元均是線性單元，那么該單元的最大頻率[15-16]為

fmax=vs/(6ls).

(1)

結(jié)合水電站現(xiàn)場情況及經(jīng)驗(yàn)公式，給定聲速估計值為1 200 m/s；以水泵水輪機(jī)外殼作為邊界計算聲場，最高頻率fmax為2 900 Hz，則聲場網(wǎng)格長度需要滿足ls≤0.068 9 m.劃分聲學(xué)外殼網(wǎng)格長度為35 mm，對蝸殼內(nèi)隔舌位置及葉片位置進(jìn)行加密網(wǎng)格，長度為15 mm，殼體網(wǎng)格總數(shù)約為1.43×106.

圖5為聲場邊界域網(wǎng)格及場點(diǎn)設(shè)置圖，材料選擇灰鑄鐵HT200，其密度ρH為7 200 kg/m3，彈性模量ET為148 GPa，泊松比μP為0.3，阻尼系數(shù)比設(shè)置為0.01.內(nèi)聲場介質(zhì)為水，其密度ρW為1 000 kg/m3，參考聲壓取為1.0×10-6Pa；外聲場介質(zhì)為空氣，其密度ρA為1.225 kg/m3，聲波傳播速度為340 m/s.

圖5 聲場邊界域網(wǎng)格及場點(diǎn)設(shè)置

水泵水輪機(jī)內(nèi)流場偶極子聲源主要集中于轉(zhuǎn)輪葉片與轉(zhuǎn)輪室內(nèi)流體相互作用形成的旋轉(zhuǎn)偶極子流，在聲場計算中可當(dāng)做扇聲源處理[15].為了分析流動誘導(dǎo)噪聲的指向性分布及輻射水平，如圖5b和5c所示，以模型轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)中心為圓心，分別建立XY，XZ和YZ三維空間面，在距離轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)中心3 m內(nèi)的各圓周上每間隔10°取徑線，沿著半徑方向間距為1/12取周線，周線與徑線相交處布置監(jiān)測點(diǎn)，則每個面上有432個監(jiān)測點(diǎn).因模型整體空間結(jié)構(gòu)為非對稱性，分別對面XY，XZ及YZ上的外場噪聲進(jìn)行分析.

2 數(shù)值仿真結(jié)果及分析

2.1 流場模擬結(jié)果分析

圖6為葉間流道葉片監(jiān)測點(diǎn)壓力p隨時間(相對時間tf為時間t與全程時間tmax之比)的變化趨勢.導(dǎo)葉關(guān)閉引起入流角改變，葉片進(jìn)口邊撞擊損失增加，從而該區(qū)壓力呈現(xiàn)增長趨勢，見圖6a之B1.當(dāng)小流量工況葉道分離流影響強(qiáng)于因沖角改變引起的渦旋強(qiáng)度時，該區(qū)壓力轉(zhuǎn)為減小趨勢直到tf=0.95.

圖6b為圖6a中L1區(qū)的放大圖，在導(dǎo)葉接近閉合位置時，流道內(nèi)殘流與回流相互作用使得各監(jiān)測量脈動幅值增大.因初始靜壓水頭變化相對較大，部分動力水頭轉(zhuǎn)換為靜壓水頭，導(dǎo)致B2處壓力值稍有上升.由于前半部分葉片為主要的作功段，該區(qū)壓力能相對其他區(qū)能夠更快地轉(zhuǎn)換為動能；B8處壓力急劇下降，和工作面對應(yīng)位置B2區(qū)稍有減小形成更大壓差，體現(xiàn)出該葉型的強(qiáng)作功能力.在轉(zhuǎn)輪葉片中部位置(B3，B7)壓力值減少了約25%，而在靠近葉片后緣區(qū)監(jiān)測壓力值的變化趨勢正好相反(B4減小，B6增大)，壓力劇烈脈動反映出靠近轉(zhuǎn)輪出口區(qū)流態(tài)的極不穩(wěn)定性.甩完28.7%(tf=0.43)負(fù)荷后，點(diǎn)B4和B6處的壓力值急劇增大與減小，說明葉片兩側(cè)監(jiān)測點(diǎn)壓差值隨著與轉(zhuǎn)輪出口位置接近而增大.tf=0.40前，葉片尾部點(diǎn)B5處的壓力脈動幅值均大于其他位置監(jiān)測點(diǎn)，一為葉間流道分離渦作用，二為尾水管回流影響.

圖6 葉片監(jiān)測點(diǎn)壓力變化趨勢

圖7為導(dǎo)葉域監(jiān)測點(diǎn)壓力變化趨勢圖，其中圖7a活動導(dǎo)葉上監(jiān)測點(diǎn)V1，V2，V3，V4和V5在經(jīng)歷了最初的波動后，保持下降趨勢直到導(dǎo)葉關(guān)閉.且在tf=0.80后其脈動增強(qiáng)，是由于活動導(dǎo)葉出口側(cè)流量減小形成暫態(tài)空腔，再者水環(huán)周向運(yùn)動反向作用于導(dǎo)葉尾流.相反地，由于負(fù)荷減小過程中活動導(dǎo)葉進(jìn)口側(cè)為積壓區(qū)，點(diǎn)V6，V7和V8處壓力呈現(xiàn)增長趨勢(如圖7所示)，且脈動幅值明顯小于其余位置.值得注意的是，導(dǎo)葉前緣和后緣處點(diǎn)V1，V5的壓力在tf=0.70后變大；V1側(cè)原因?yàn)榭拷潭▽?dǎo)葉水流積聚，而V5側(cè)原因?yàn)樗h(huán)B區(qū)承受轉(zhuǎn)輪傳遞動能載體流量較小.此外，靠近固定導(dǎo)葉域V1整體壓差最小，然而靠近轉(zhuǎn)輪側(cè)V5脈動幅值最大，說明了在轉(zhuǎn)輪側(cè)無葉區(qū)(B)水流受到動動干涉的影響強(qiáng)于固定導(dǎo)葉側(cè)無葉區(qū)(A)動靜干涉的影響，造成該現(xiàn)象主要原因?yàn)锽區(qū)水流受導(dǎo)葉尾流與旋轉(zhuǎn)水環(huán)共同作用.

圖7 導(dǎo)葉監(jiān)測點(diǎn)壓力變化趨勢

圖8為轉(zhuǎn)輪域監(jiān)測點(diǎn)壓力頻譜圖，圖中PPSD為流道壓力脈動功率頻譜，St為斯特勞哈爾數(shù).

圖8 監(jiān)測點(diǎn)壓力頻譜圖

可以看出主頻位置在葉頻St=0.676 3處.尾水管進(jìn)口只有RP2處監(jiān)測到葉頻，這與尾水管內(nèi)渦核位置相對應(yīng)(如圖 8b所示).因此葉頻所對應(yīng)能量在聲場中占主導(dǎo)作用.

2.2 聲場仿真結(jié)果分析

水泵水輪機(jī)的流動誘導(dǎo)振動是一種強(qiáng)迫性質(zhì)的振動，主要因?yàn)閮?nèi)部不穩(wěn)定流場誘發(fā)流體壓力脈動所致.當(dāng)水力激勵頻率接近機(jī)組部件固有頻率時會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，兩者頻率近似相等時振動現(xiàn)象會加劇，振幅亦增大，同時伴隨產(chǎn)生較大的噪聲.因此，殼體振動與水泵水輪機(jī)內(nèi)部流動誘導(dǎo)噪聲之間關(guān)系緊密.

對水泵水輪機(jī)內(nèi)流場壓力脈動引起的流動誘導(dǎo)噪聲輻射水平及指向性分布進(jìn)行分析.將對應(yīng)的葉片壓力載荷導(dǎo)入LMS軟件，其中葉片被分為12段；對壓力波動時間歷程在各段分別進(jìn)行積分，以得到計算扇聲源.此外，將該模型水泵水輪機(jī)聲場計算視為單相耦合，忽略外殼振動作用，默認(rèn)外場計算介質(zhì)為空氣.

圖9為甩負(fù)荷過程不同時刻一階葉頻聲壓SL分布(QBEP為設(shè)計工況流量)，可見流動誘導(dǎo)噪聲指向性分布和輻射水平在各個方向上相似，即流量變化對噪聲指向性分布形式影響不大.聲壓分布在面XZ和YZ上均呈現(xiàn)近似于“∞”形態(tài)，展現(xiàn)出強(qiáng)烈的偶極子特性.

圖9 不同流量時刻聲壓分布云圖

不同工況下聲壓級分布規(guī)律相似，且聲壓擴(kuò)散形狀在對應(yīng)面上以模型結(jié)構(gòu)形狀為基礎(chǔ)延伸.其中模型所在位置聲壓幅值最大，且幅值隨著與模型距離增加而減小.小流量(0.2QBEP)時內(nèi)聲壓變化相對其他時刻劇烈，最大聲壓值高達(dá)130 dB，最小聲壓為9.67 dB.

圖10為模型水泵水輪機(jī)甩負(fù)荷過程葉頻處外場噪聲在各監(jiān)測面上的指向性分布(葉頻聲壓級BSL)，聲壓級大小表現(xiàn)出整體規(guī)律相似.聲壓級在面XY上分布近似圓形，說明該方向面不同方位上的噪聲輻射能力接近，但是圓心位置偏向于隔舌側(cè).聲壓較大值位于蝸殼隔舌附近，主要原因是流體在流經(jīng)該位置時，過流斷面有效面積突變引起速度分布不均.

圖10 水泵水輪機(jī)甩負(fù)荷過程外場噪聲指向性分布

結(jié)合分析圖10b與10c，甩負(fù)荷過程相同監(jiān)測面上聲壓級分布規(guī)律相似，不同方向監(jiān)測面上聲壓極大極小值位置一致.面XZ上聲壓極小值位于20°與170°附近，面YZ上聲壓極小值位于30°與180°附近.極大值均位于100°和280°附近，且極大值位置在轉(zhuǎn)輪出口附近，轉(zhuǎn)輪內(nèi)分離流與尾水管回流共同作用是主要原因，說明外場噪聲的輻射能力與模型內(nèi)部流態(tài)相關(guān).

圖10各監(jiān)測面聲壓級表現(xiàn)出相似的波動性，即先隨流量減小稍有增加(從1.0QBEP至0.8QBEP)，從0.8QBEP至0.6QBEP又轉(zhuǎn)為減小趨勢，而從0.6QBEP至0.5QBEP，聲壓值反而開始增大，至0.5QBEP處聲壓值最大，主要原因是大范圍渦旋阻塞流道在流場中體現(xiàn)為壓力脈動幅值增大，反映到聲場中即為聲壓級增加.流量繼續(xù)減小使得流場壓力值整體下降，至0.3QBEP時聲壓級最小，此時聲壓級約為初始1.0QBEP工況的80%.然而在繼續(xù)接近于零流量工況時(0.2QBEP)，聲壓級增大較快，對應(yīng)流場僅存殘留作用.

綜合聲壓云圖9與指向分布圖10可得在甩負(fù)荷過程中，流量變化對流動誘導(dǎo)噪聲輻射水平影響較大，整體表現(xiàn)為聲源強(qiáng)度隨流量減小而增加.該現(xiàn)象與流場分析中得到的隨著流量減小，壓力脈動幅值變化規(guī)律一致，說明水泵水輪機(jī)內(nèi)流場壓力脈動特性研究對流動誘導(dǎo)噪聲的預(yù)測具有指導(dǎo)作用.

3 結(jié) 論

基于DES湍流模型和網(wǎng)格壁面滑移技術(shù)，針對水泵水輪機(jī)甩負(fù)荷瞬態(tài)過程壓力脈動及其對流動誘導(dǎo)噪聲的影響開展研究，得知甩負(fù)荷過程葉片進(jìn)口區(qū)壓力變化取決于沖角改變引起的渦旋強(qiáng)度和葉道分離流影響程度的權(quán)重.甩掉約30%負(fù)荷后，后半部葉片兩側(cè)壓差隨著與轉(zhuǎn)輪出口位置接近而增大.

葉片尾部壓力脈動劇烈，一為葉間流道分離渦作用，二為尾水管回流影響.在無葉區(qū)，轉(zhuǎn)輪側(cè)無葉區(qū)水流受到動動干涉的影響強(qiáng)于固定導(dǎo)葉側(cè)無葉區(qū)動靜干涉的影響，主要原因?yàn)檗D(zhuǎn)輪側(cè)無葉區(qū)水流受導(dǎo)葉尾流與旋轉(zhuǎn)水環(huán)共同作用.甩負(fù)荷過程不同時刻聲壓級分布規(guī)律相似，且聲壓擴(kuò)散形狀在對應(yīng)面上以模型結(jié)構(gòu)形狀為基礎(chǔ)延伸.其中模型所在位置聲壓幅值最大，且幅值隨著與模型距離增加而減小.流量變化對流動誘導(dǎo)噪聲輻射水平影響較大，整體表現(xiàn)為聲源強(qiáng)度隨流量減小而增加.

從聲學(xué)角度為良好性能的水泵水輪機(jī)設(shè)計和安全穩(wěn)定運(yùn)行提出具體措施，是下一步需要開展的工作.