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        某混流式水輪機超出力運行可行性分析

        2022-03-06 02:18:38康永剛況勛圖嚴利軍盧進玉
        水電與新能源 2022年2期
        關(guān)鍵詞:分析

        康永剛,況勛圖,嚴利軍,劉 陽,盧進玉

        (1. 華電四川發(fā)電有限公司寶珠寺水力發(fā)電廠,四川 廣元 628000;2. 華電電力科學研究院有限公司,浙江 杭州 310012)

        水輪發(fā)電機組超出力運行是在水電運行實踐中為普遍存在的一種現(xiàn)象,特別是中小型機組,短期超出力運行也時有發(fā)生。青溪水電站開展了機組超出力運行穩(wěn)定性及發(fā)電機溫升試驗研究,分析了水電站超出力的可行性,實現(xiàn)了增加發(fā)電量和調(diào)峰容量目標[1]。五強溪電站實際運行中水資源利用率較低,而設備設計有超發(fā)的潛力,綜合各方面的因素,在不進行設備改造的情況下,分析了機組超額定出力運行可行性[2]。清江高壩洲電廠在不更換水輪機主設備條件下,按單機能夠達到的最大容量超出力運行調(diào)節(jié)保證計算,論證了機組超出力運行的安全可靠性[3]。耿清華[4]從增大過流量、提高工作水頭等角度分析水輪機增容的可行性。綜上所述,目前主要通過現(xiàn)場試驗的方法進行水輪機超出力運行測試,確定機組超出力能力,但對水輪機超額定負荷運行的理論論證工作較少,也沒有形成統(tǒng)一的系統(tǒng)性研究方法。

        本文利用ANSYS平臺對某混流式水輪機(單機40萬kW)不同水頭下超出力運行工況的流場及結(jié)構(gòu)場進行數(shù)值仿真計算,分析超出力工況尾水管壓力脈動,并計算超出力工況轉(zhuǎn)輪葉片靜應力,結(jié)合相關(guān)理論分析水輪機超出力運行可行性。

        1 研究方法

        混流式水輪機超出力運行時的能量、脈動特性主要通過CFX軟件計算全流道非定常工況得到。轉(zhuǎn)輪葉片應力通過流固耦合的方法將水壓力加載到葉片表面,并借助Workbench平臺進行應力分析。計算所涉及的理論如下:

        1.1 流體域計算

        水輪機內(nèi)流體滿足連續(xù)性方程和動量守恒方程:

        連續(xù)性方程:

        ?vi/?xi=0

        (1)

        動量守恒方程:

        (2)

        式中:V為流體速度矢量;vi為V在i方向分量;ρ為流體密度;P為流體壓強;μ為湍流強度;g為質(zhì)量力;為哈密頓算子。采用RNGκ-ω模型對方程進行封閉。

        1.2 流固耦合方式

        實際運行工況中,水輪機上冠、下環(huán)及葉片形變量很小,變形量對流場的影響微乎其微,可采用單向流固耦合的方法計算[5]。

        1.3 結(jié)構(gòu)場計算

        計算轉(zhuǎn)輪靜應力時,由于轉(zhuǎn)輪屬于線性結(jié)構(gòu),故各節(jié)點所受應力可直接由von Mises應力公式得出:

        (3)

        2 水輪機流場分析

        2.1 模型簡化

        某混流式水輪機,型號為HLF218a0-LJ-775,額定水頭77 m,額定流量569.37 m3/s,額定轉(zhuǎn)速88.2 r/min,活動導葉24個。利用UG10.0建立全流道三維模型,計算域取事故閘門下端面(轉(zhuǎn)輪中心線上游22.65 m位置)至尾水閘門上端面(轉(zhuǎn)輪中心線上游35.0 m處)之間過流斷面。計算工況選擇3個水頭、5個工況進行分析,詳細參數(shù)見表1。為了在數(shù)值計算盡量減少誤差,利用六面體網(wǎng)格對過流部件進行網(wǎng)格劃分,經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性驗證,以效率相對差值為標準,確定網(wǎng)格總數(shù)為900萬,其中轉(zhuǎn)輪部分為651萬。計算域及網(wǎng)格模型見圖1。

        表1 內(nèi)部流動分析及計算工況

        圖1 流場計算網(wǎng)格及計算域

        2.2 定常流場分析

        2.2.1 邊界條件

        利用CFX進行流場模擬,進口設為壓力進口,以蝸殼進口全壓及其速度方向為入口條件,出口邊界為尾水管出口斷面,指定流量為邊界條件;壁面采用近壁函數(shù)法對湍流流動近壁處理;湍流模型采用RNGκ-ω模型,最大殘差小于0.000 1做為計算收斂條件,空間離散采用二階精度;旋轉(zhuǎn)域外壁及流固耦合交界面采用旋轉(zhuǎn)壁面,給定旋轉(zhuǎn)軸和旋轉(zhuǎn)速度。

        2.2.2 結(jié)果分析

        仿真計算結(jié)果表明,5種工況蝸殼、固定導葉及活動導葉流場分布相似。蝸殼內(nèi)部流線光順,沿周向出流均勻,流速沿徑向基本不變。5種工況下,水流從蝸殼出口至固定導葉進口基本無撞擊,雙列葉柵通道內(nèi)均無脫流,固定導葉出口角和活動導葉進口角配合較好,活動導葉內(nèi)部流動順滑,活動導葉出流均勻。

        圖2為工況4(88 m水頭110%Pr)轉(zhuǎn)輪區(qū)域壓力云圖。仿真結(jié)果表明,壓力沿葉片進口至出口方向逐漸降低,無渦流、二次流現(xiàn)象,說明能量被機組逐步利用。計算結(jié)果顯示3個水頭段額定工況和超發(fā)10%工況,轉(zhuǎn)輪內(nèi)部壓力分布均勻,流動損失小,水輪機效率較高。

        圖2 轉(zhuǎn)輪壓力分布

        2.3 壓力脈動計算分析

        2.3.1 壓力脈動定義及監(jiān)測點分布

        利用非定常理論,監(jiān)測水輪機某些部位水壓力隨時間的變化,分析壓力脈動的時域信息,通過FFT變換可得到該位置壓力脈動的頻率等信息。壓力脈動量ΔH/H的定義如下:

        (4)

        計算時旋轉(zhuǎn)部件與固定部件交界面設置為Transient Rotor Stator滑移界面,本計算中的時間步長取為轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動周期的1/36,約為0.018 894 6 s。非定常計算中,在水輪機蝸殼進口、固定導葉前、活動導葉前和活動導葉出口總共布置了四個壓力脈動監(jiān)控點,同時在尾水管錐管段,錐管出口段截取兩個監(jiān)測斷面,標記4個監(jiān)測點,如圖3所示。

        圖3 壓力脈動監(jiān)測點

        2.3.2 結(jié)果分析

        圖4為1、2、4工況尾水管錐管段壓力脈動時頻域圖。表2為3個工況主要位置特征值。根據(jù)計算結(jié)果分析發(fā)現(xiàn),額定水頭額定出力出力工況,引、導水部件壓力脈動峰峰值較小,尾水管壓力脈動峰峰值約為10.09%,壓力脈動主頻為0.41 Hz,約為轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)頻的0.28倍,屬低頻壓力脈動。82 m水頭110%出力工況下,引、導水部件內(nèi)壓力脈動峰峰值較小,尾水管錐管出口位置壓力脈動最大,達到10.84%,壓力脈動主頻為0.36 Hz,屬低頻壓力脈動。88 m水頭110%出力工況,引、導水部件內(nèi)壓力脈動峰峰值較小,壓力脈動峰最大峰值均出現(xiàn)在尾水管錐管出口位置,達到8.55%,壓力脈動主頻仍為0.36 Hz。

        表2 各工況主要部位壓力脈動特征值

        圖4 各工況尾水管錐管段壓力脈動時域、頻域

        綜上所述,在額定工況和高水頭超10%出力工況下,蝸殼至導葉前的測點壓力脈動振幅均較小,導葉后轉(zhuǎn)輪前測點壓力由于受到動靜干涉的影響,其脈動振幅有一定的增加。與蝸殼和導葉內(nèi)部壓力脈動峰峰值相比,尾水管內(nèi)的壓力脈動峰峰值較大,且均為低頻的壓力脈動。以上計算結(jié)果表明機組在超出力運行工況,水輪機主要部件壓力脈動均滿足機組穩(wěn)定運行要求。

        3 轉(zhuǎn)輪靜應力分析

        3.1 模型及邊界條件

        利用ANSYS軟件進行轉(zhuǎn)輪靜應力計算,計算對象為轉(zhuǎn)輪單個葉片,模型及網(wǎng)格見圖5。葉片上冠及下環(huán)連接處采用全約束,計算時施加離心力和重力。葉片所受外部載荷為水壓力,水壓力由各工況定常計算求解,并抽取葉片表面水壓力,加載至葉片實體。

        圖5 有限元模型

        3.2 結(jié)果分析

        利用workbench對額定工況(工況1)、82 m水頭110%出力(工況2)、88 m水頭110%出力(工況4)3個工況進行葉片結(jié)構(gòu)靜應力分析得到轉(zhuǎn)輪葉片在該三個工況葉片等效應力和位移云圖(略)和最大位移量和最大等效靜應力見表3。根據(jù)計算可知,轉(zhuǎn)輪葉片應力主要集中位置為葉片出口邊與上冠、下環(huán)連接處,葉片進口邊與出口邊相比較厚,應力集中度較低,葉片最大等效靜應力較大,這是由于在滿負荷及超出力工況,水輪機導葉開度大,過流量較大,葉片受到較大的水流沖擊力。最大等效應力所在位置一般為典型的應力集中部位,三種工況下,除應力集中位置外其他位置葉片的應力都低于110 MPa,且三種工況下最大等效應力均小于合同保證值。根據(jù)應力計算結(jié)果,機組在82 m水頭附近運行時,轉(zhuǎn)輪葉片所受靜應力相對較低,水輪機有較高的運行效率和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

        表3 轉(zhuǎn)輪葉片最大位移和最大等效應力

        4 結(jié) 語

        利用ANSYS軟件對某混流式水輪機不同水頭超出力運行進行流場及結(jié)構(gòu)場分析,并通過非定常計算監(jiān)測相關(guān)位置壓力脈動,分析超出力運行可行性,得到如下結(jié)論:

        1)在各計算工況下,水輪機均有較高的效率,能量性能較好;同時在高水頭超出力運行工況,在尾水管錐管段,錐管出口段等區(qū)域壓力脈動均能滿足規(guī)定要求,機組能夠穩(wěn)定運行。

        2)根據(jù)不同工況靜應力計算結(jié)果分析,各工況下轉(zhuǎn)輪部位等效靜應力均滿足合同要求;機組在82 m水頭運行時,水輪機所受靜應力較小,結(jié)構(gòu)安全性較好。

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