李任飛，李海軍,劉振龍，于 洋，徐用良，劉永新

(1.水力發(fā)電設(shè)備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150040；2.中國(guó)三陜建工(集團(tuán))有限公司，四川 成都 610000；3.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130021；4.哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 前言

沖擊式水輪機(jī)適應(yīng)水頭范圍寬，且在高水頭范圍內(nèi)非常適用。目前采用六噴嘴設(shè)計(jì)的沖擊式水輪機(jī)在較大容量的沖擊式機(jī)組使用比較普遍，如中國(guó)云南的吉沙電站、中國(guó)四川的冶勒、大發(fā)、仁宗海等電站、中國(guó)新疆的公格爾電站，水頭均在500～600 m，挪威的埃文格電站水頭約800 m[1-2]。

與反擊式水輪機(jī)相比，沖擊式水輪機(jī)的射流裝置(噴嘴)通過(guò)噴針調(diào)節(jié)流量，且相同裝機(jī)容量的沖擊式水輪機(jī)組的轉(zhuǎn)速更高，飛逸轉(zhuǎn)速對(duì)于沖擊式水輪機(jī)來(lái)說(shuō)就顯得更為重要。飛逸轉(zhuǎn)速一定程度上界定了轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)的最高轉(zhuǎn)速，其常指水輪機(jī)因故障等突然甩去負(fù)荷，發(fā)電機(jī)輸出功率為零，而此時(shí)如水輪機(jī)調(diào)速機(jī)構(gòu)失靈或其他原因使導(dǎo)水機(jī)構(gòu)不能關(guān)閉，則水輪機(jī)轉(zhuǎn)速迅速升高。當(dāng)輸入的水流能量與轉(zhuǎn)速升高時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械摩擦損失能量相平衡時(shí)，轉(zhuǎn)速達(dá)到某一穩(wěn)定的最大值，該轉(zhuǎn)速則為飛逸轉(zhuǎn)速。最大飛逸轉(zhuǎn)速發(fā)生在最大水頭工況下。對(duì)于沖擊式水輪機(jī)，在設(shè)計(jì)階段飛逸轉(zhuǎn)速通常大致地選取為額定轉(zhuǎn)速的1.8～1.9倍，顯然該范圍偏于保守，且過(guò)于粗糙。張征驥針對(duì)沖擊式水輪機(jī)，基于飛逸發(fā)生時(shí)射流與轉(zhuǎn)動(dòng)水斗不發(fā)生相互作用的原理，總結(jié)了飛逸工況下切向速度Ux1R和射流速度C0的比值kR0與轉(zhuǎn)輪位置特征角的關(guān)系，并將其簡(jiǎn)化為與比轉(zhuǎn)速nq的關(guān)系[3]，有

(1)

其中比轉(zhuǎn)速nq的適用范圍為0.06～0.13(單位1/s)。雖然依此獲得的飛逸轉(zhuǎn)速數(shù)值和實(shí)際情況吻合很好，但該式并未討論噴嘴匹配方式、噴針行程等對(duì)于飛逸轉(zhuǎn)速的影響，而通常情況下，不同噴嘴匹配方式下，飛逸轉(zhuǎn)速存在較大差異。

對(duì)旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械來(lái)說(shuō)，從幾何參數(shù)到工況參數(shù)，對(duì)運(yùn)行結(jié)果影響巨大。如斜流泵的飛逸特性隨揚(yáng)程和葉片安裝角具有規(guī)律性變化[4]，兩相流動(dòng)特征影響水輪機(jī)出力[5]，而水頭、空化系數(shù)及導(dǎo)葉開(kāi)度對(duì)混流式水輪機(jī)軸向推力也具有相當(dāng)?shù)挠绊慬6]。對(duì)沖擊式水輪機(jī)組，考慮到轉(zhuǎn)輪運(yùn)動(dòng)和射流噴嘴的協(xié)聯(lián)特性，噴嘴特性將是一個(gè)重要的因素。六噴嘴機(jī)組運(yùn)行的噴嘴數(shù)根據(jù)負(fù)荷的變化進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)，可以選擇的運(yùn)行數(shù)目有1個(gè)、2個(gè)、3個(gè)、4個(gè)和6個(gè)噴嘴運(yùn)行，而相應(yīng)地，少數(shù)噴嘴運(yùn)行時(shí)，噴嘴的組合方式也是一個(gè)額外的決定因素。

本文針對(duì)某六噴嘴水輪機(jī)組的模型試驗(yàn)，歸納總結(jié)了不同噴嘴配置的飛逸試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)模擬分析。CFD數(shù)值計(jì)算可有效地給出不同機(jī)組在不同工況下的飛逸特性，并和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析[7-9]。本文開(kāi)展了非定常氣液兩相流數(shù)值模擬，對(duì)六噴嘴沖擊式水輪機(jī)在不同噴嘴數(shù)運(yùn)行時(shí)的飛逸特性進(jìn)行了分析，并討論了分析結(jié)論推廣到其它噴嘴數(shù)的機(jī)組上的情形。

1 沖擊式水輪機(jī)的飛逸特性實(shí)驗(yàn)研究

本文研究的某六噴嘴沖擊式水輪機(jī)，噴嘴的布置情況如圖1所示。在進(jìn)行飛逸轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)時(shí)，對(duì)不同噴嘴運(yùn)行組合的情況進(jìn)行了研究，噴嘴組合情況分別為：?jiǎn)螄娮臁㈦p噴嘴、三噴嘴、四噴嘴和六噴嘴工況，表1給出了具體的組合方式。

表1 飛逸特性試驗(yàn)噴嘴運(yùn)行工況

圖1 某六噴嘴沖擊式水輪機(jī)噴嘴位置及編號(hào)圖示

飛逸轉(zhuǎn)速通過(guò)模型沖擊式水輪機(jī)試驗(yàn)獲得，飛逸試驗(yàn)的主要目的在于獲得單位飛逸轉(zhuǎn)速n11R的變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)時(shí)，保持轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速n不變(測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)速不變，測(cè)量?jī)艄?，在某個(gè)噴針行程Sm(范圍覆蓋最優(yōu)行程Sopt)下，通過(guò)調(diào)節(jié)水頭H以改變射流速度，獲得單位轉(zhuǎn)速n11=nD1/H0.5和效率的關(guān)系曲線，單位轉(zhuǎn)速n11超過(guò)最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速時(shí)n11opt效率下降，下降到0時(shí)即為飛逸工況，此時(shí)即為單位飛逸轉(zhuǎn)速n11R。通過(guò)上述模型試驗(yàn)，將給出無(wú)量綱噴針行程Sm/Sopt與無(wú)量綱單位飛逸轉(zhuǎn)速n11R/n11opt之間的關(guān)系，在應(yīng)用于真機(jī)時(shí)，將真機(jī)的最大水頭代入，即可獲得真機(jī)的最大飛逸轉(zhuǎn)速nRmax=n11R(Hmax)0.5/D1。

1.1 多噴嘴運(yùn)行時(shí)的飛逸特性

首先給出多噴嘴運(yùn)行時(shí)的飛逸轉(zhuǎn)速整體變化，圖2為該六噴嘴模型沖擊式水輪機(jī)飛逸特性部分試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)果包含了單噴嘴、雙噴嘴(對(duì)稱)、三噴嘴(中心對(duì)稱)、四噴嘴和六噴嘴運(yùn)行的工況。圖中橫坐標(biāo)Sm/Sopt為單位飛逸轉(zhuǎn)速與最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速的比值，縱坐標(biāo)n11R/n11opt為噴針行程與最優(yōu)工況噴針行程的比值，下同。

圖2 六噴嘴模型沖擊式水輪機(jī)飛逸特性

從圖中可以看出，對(duì)于單噴嘴運(yùn)行情況來(lái)說(shuō)，在噴針行程增加到一定程度(相對(duì)行程約為1.0)時(shí)，飛逸轉(zhuǎn)速會(huì)有較明顯的升高。對(duì)應(yīng)雙噴嘴(對(duì)稱)和三噴嘴(中心對(duì)稱)的運(yùn)行工況下，情況類似。

而在四噴嘴(1#、2#、4#、5#)和六噴嘴全部運(yùn)行的工況下，飛逸轉(zhuǎn)速?zèng)]有明顯上升?？梢?jiàn)，對(duì)于六噴嘴沖擊式水輪機(jī)來(lái)說(shuō)，其最大飛逸轉(zhuǎn)速通常出現(xiàn)在部分噴嘴運(yùn)行、噴針行程較大的工況。針對(duì)所研究的沖擊式水輪機(jī)，最大飛逸轉(zhuǎn)速出現(xiàn)在雙噴嘴(對(duì)稱)運(yùn)行時(shí)的最大噴針行程工況，而在六噴嘴全部運(yùn)行時(shí)，飛逸轉(zhuǎn)速較低。

1.2 雙噴嘴下不同匹配方式運(yùn)行的飛逸特性

圖3分別給出了對(duì)稱雙噴嘴(1#、4#)、間隔雙噴嘴(1#、3#)和相鄰雙噴嘴(1#、2#)運(yùn)行時(shí)的無(wú)量綱飛逸曲線?？梢?jiàn)，盡管對(duì)稱雙噴嘴、間隔雙噴嘴的飛逸特性飛逸轉(zhuǎn)速明顯上升時(shí)對(duì)應(yīng)的行程有少許差別，但二者的飛逸特性與單噴嘴相似，隨著噴針行程增加都存在飛逸轉(zhuǎn)速明顯升高的現(xiàn)象，而相鄰雙噴嘴的特性則表現(xiàn)出不同的特性，隨噴針行程增加，飛逸轉(zhuǎn)速?zèng)]有明顯升高，甚至略有下降。

圖3 雙噴嘴運(yùn)行時(shí)的飛逸特性

1.3 三噴嘴下不同匹配方式運(yùn)行的飛逸特性

不對(duì)稱三噴嘴(1#、4#、5#)和對(duì)稱三噴嘴(1#、3#、5#)運(yùn)行工況下的無(wú)量綱飛逸曲線，如圖4所示?？梢?jiàn)，對(duì)稱三雙噴嘴運(yùn)行時(shí)飛逸轉(zhuǎn)速明顯提升，而不對(duì)稱工況下的沒(méi)有提升。圖4中也同時(shí)給出了下文開(kāi)展CFD計(jì)算的工況點(diǎn)，噴針相對(duì)行程為1.5，這兩個(gè)工況點(diǎn)用來(lái)對(duì)比不同噴嘴布置情況下的流場(chǎng)特性，同時(shí)分析造成飛逸轉(zhuǎn)速不同的差異。

圖4 三噴嘴運(yùn)行時(shí)的飛逸特性

2 六噴嘴沖擊式水輪機(jī)飛逸特性討論

通過(guò)觀察以上不同噴嘴配合時(shí)的飛逸特性曲線，可以看出隨著噴針行程的增加，在一些噴嘴配合工況飛逸轉(zhuǎn)速會(huì)有明顯上升，但在一些情況卻沒(méi)有這種情況，多噴嘴運(yùn)行時(shí)其飛逸特性隨噴嘴相對(duì)位置的不同而呈現(xiàn)出不同的特性。下面通過(guò)定性分析、CFD數(shù)值計(jì)算進(jìn)行飛逸特性的討論。

2.1 六噴嘴沖擊式水輪機(jī)飛逸特性的定性分析

從飛逸的發(fā)生機(jī)理來(lái)看，在不考慮風(fēng)損等其它損失的情況下，水輪機(jī)的飛逸工況發(fā)生在轉(zhuǎn)輪輸出力矩為0的工況，這和不同運(yùn)行工況下射流位置及轉(zhuǎn)速相關(guān)。

通過(guò)對(duì)比飛逸特性曲線發(fā)現(xiàn)，當(dāng)射流互不相鄰(如單噴嘴運(yùn)行、對(duì)稱雙噴嘴運(yùn)行、間隔雙噴嘴運(yùn)行和對(duì)稱三噴嘴運(yùn)行)時(shí)，隨著噴針行程的增加，飛逸轉(zhuǎn)速會(huì)有明顯上升現(xiàn)象，而當(dāng)存在相鄰射流(如相鄰雙噴嘴、不對(duì)稱三噴嘴、四噴嘴和六噴嘴運(yùn)行)時(shí)，飛逸轉(zhuǎn)速變化平緩，沒(méi)有上升現(xiàn)象。故可推論飛逸特性與射流之間的位置存在依賴聯(lián)系。

原因分析如下：由于水斗式轉(zhuǎn)輪的固有特性，在多噴嘴運(yùn)行時(shí)，射流與射流間、射流與水斗間(可能)存在多種流動(dòng)干涉現(xiàn)象[10-11]，而流動(dòng)干涉必然會(huì)引起水輪機(jī)輸出力矩及效率下降。對(duì)于相鄰射流來(lái)說(shuō)，最顯著的流動(dòng)干涉為相鄰射流在水斗內(nèi)部作用引起的水膜干涉。Kubota通過(guò)試驗(yàn)觀察到了六噴嘴沖擊式水輪機(jī)模型試驗(yàn)中的水膜干涉現(xiàn)象[12]，這是由于隨著轉(zhuǎn)速的增加，前一射流在水斗內(nèi)還沒(méi)有完全流出的情況下，下一射流進(jìn)入水斗，并追上前一射流，引起干涉，并導(dǎo)致水輪機(jī)效率的驟降。根據(jù)這種現(xiàn)象以及對(duì)飛逸特性的分析，可以確定當(dāng)存在相鄰射流情況下，隨著轉(zhuǎn)速的升高，相鄰射流引起的水膜干涉所導(dǎo)致水輪機(jī)效率下降會(huì)更早發(fā)生，當(dāng)效率下降到0時(shí)，發(fā)生飛逸，而無(wú)相鄰射流時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速上升水輪機(jī)的效率下降會(huì)慢一些，飛逸發(fā)生會(huì)延緩。這樣有相鄰射流的飛逸轉(zhuǎn)速會(huì)低于無(wú)相鄰射流。

2.2 六噴嘴沖擊式水輪機(jī)飛逸特性的CFD分析

為了驗(yàn)證上述分析，本文選擇了三噴嘴運(yùn)行的兩個(gè)有代表性的工況進(jìn)行了CFD計(jì)算(如圖4所示)。工況選擇為噴針相對(duì)行程1.5時(shí)的對(duì)稱三噴嘴和非對(duì)稱三噴嘴的飛逸工況，數(shù)值模擬結(jié)果如圖5所示，結(jié)果顯示為射流與水斗相互作用的典型情況。

圖5 三噴嘴(對(duì)稱及非對(duì)稱)運(yùn)行時(shí)的水斗內(nèi)射流CFD模擬結(jié)果

在對(duì)稱三噴嘴運(yùn)行的飛逸工況中，可以看出射流被水斗分割成若干段，射流與水斗幾乎沒(méi)有相互作用。而在非對(duì)稱三噴嘴飛逸工況中，非相鄰射流在水斗內(nèi)部存在一定程度反射，即射流與水斗之間存在相互作用，非對(duì)稱三噴嘴的相鄰射流與水斗亦存在相互作用，圖(5d)所示的第二個(gè)水斗中，兩股射流產(chǎn)生的水膜存在明顯干涉。

上述CFD計(jì)算結(jié)果和前文的理論分析相吻合，即存在相鄰射流時(shí)，由于相鄰射流的干涉作用，引起水輪機(jī)效率下降，飛逸轉(zhuǎn)速較低，而在無(wú)相鄰射流時(shí)，飛逸轉(zhuǎn)速發(fā)生在射流與轉(zhuǎn)輪不發(fā)生或接近不相互作用的工況，飛逸轉(zhuǎn)速較高。

3 部分噴嘴布置的飛逸特性推廣性討論

通過(guò)以上飛逸特性試驗(yàn)結(jié)果及分析，可以確定多噴嘴運(yùn)行時(shí)，沖擊式水輪機(jī)的飛逸特性除與噴嘴數(shù)有關(guān)外，更重要的是與噴嘴的位置關(guān)系相關(guān)。相同噴嘴數(shù)運(yùn)行而位置關(guān)系不同時(shí)，飛逸特性會(huì)表現(xiàn)出較大的差異。盡管該結(jié)論是從6噴嘴沖擊式水輪機(jī)的模型試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的，但可以推廣到其它噴嘴數(shù)的機(jī)組中。

由于沖擊式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪與引水部件及噴射機(jī)構(gòu)相對(duì)獨(dú)立，真機(jī)選型設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)常會(huì)選用進(jìn)行過(guò)模型試驗(yàn)的轉(zhuǎn)輪，而引水部件及噴射機(jī)組并不相似，尤其對(duì)于一些中小型沖擊式機(jī)組更是如此，噴嘴數(shù)及不同噴嘴之間的夾角可能都不與模型相似，這時(shí)通過(guò)模型試驗(yàn)結(jié)果評(píng)判真機(jī)性能參數(shù)時(shí)就需考慮異型部件的影響。

目前關(guān)于水輪機(jī)異型部件對(duì)于效率影響的認(rèn)識(shí)已相對(duì)成熟[13]，從模型效率換算真機(jī)效率也相對(duì)準(zhǔn)確，能夠滿足工程設(shè)計(jì)需要。而對(duì)沖擊式水輪機(jī)的飛逸轉(zhuǎn)速計(jì)算，往往只簡(jiǎn)單地按額定轉(zhuǎn)速的1.8～1.9倍估算[3]，這種估算方法過(guò)于粗糙。通過(guò)前文對(duì)飛逸特性的分析，可通過(guò)六噴嘴轉(zhuǎn)輪的飛逸試驗(yàn)結(jié)果對(duì)其它噴嘴數(shù)配合方式的飛逸性能做出推斷，表2給出了對(duì)其它噴嘴數(shù)常用組合的部分推斷。

表2 不同噴嘴匹配方式飛逸特性分析

4 結(jié)論

本文針對(duì)某六噴嘴沖擊式水輪機(jī)飛逸特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析了沖擊式水輪機(jī)飛逸特性與運(yùn)行噴嘴的關(guān)系，并通過(guò)CFD分析驗(yàn)證了分析結(jié)論。在此基礎(chǔ)上討論了更多噴嘴匹配形式與飛逸特性的關(guān)系。結(jié)論如下：

(1)由于相鄰噴嘴的射流在水斗內(nèi)部引起的水膜干涉，因此噴嘴的匹配方式對(duì)沖擊式水輪機(jī)的飛逸特性有重要影響，當(dāng)存在相鄰噴嘴運(yùn)行時(shí)，飛逸轉(zhuǎn)速總體相對(duì)較低，而無(wú)相鄰噴嘴運(yùn)行時(shí)，在噴針行程較大時(shí)，飛逸轉(zhuǎn)速會(huì)有明顯上升；

(2)通過(guò)對(duì)典型工況飛逸特性的CFD計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)存在相鄰噴嘴運(yùn)行時(shí)，可以在水斗內(nèi)部清晰觀察到射流的干涉；而無(wú)相鄰射流時(shí)，水斗內(nèi)部無(wú)水膜干涉；

(3)根據(jù)六噴嘴沖擊式轉(zhuǎn)輪的模型飛逸特性研究結(jié)果，可推斷出非六噴嘴運(yùn)行的中小型沖擊式水輪機(jī)的飛逸特性，滿足工程設(shè)計(jì)需要。