信佰伶

（建平縣水務(wù)局，遼寧 朝陽(yáng) 122400）

1 工程概況

遼寧莊河抽水蓄能電站位于大連市步云山鄉(xiāng)和桂花鄉(xiāng)境內(nèi)，為日調(diào)節(jié)抽水蓄能電站，設(shè)計(jì)裝機(jī)容量1 000 MW。電站的主要建筑物由上水庫(kù)、下水庫(kù)、輸水發(fā)電系統(tǒng)和尾水系統(tǒng)構(gòu)成。其中，上水庫(kù)位于蒲東溝的溝腦部位，為瀝青混凝土面板堆石壩壩型設(shè)計(jì)，正常蓄水位290.0 m，死水位245.0 m，調(diào)節(jié)庫(kù)容981 萬(wàn)m3；下水庫(kù)大壩為碾壓混凝土重力壩，正常蓄水位151.0 m，死水位139.0 m，調(diào)節(jié)庫(kù)容1 122萬(wàn)m3。引水系統(tǒng)為一洞兩機(jī)布置。岔管采用對(duì)稱Y型月牙肋鋼岔管，其分岔角為84°，主錐和支錐各由兩節(jié)椎管過(guò)渡。與岔管相連的主觀內(nèi)徑3.9 m，岔管公切球直徑為4.5 m，與岔管相連的支管內(nèi)徑為2.3 m，管壁厚24 mm，肋板厚90 mm。

一般來(lái)說(shuō)，抽水蓄能電站的月牙肋岔管在進(jìn)行分流過(guò)程中，由于過(guò)水?dāng)嗝嫜杆贁U(kuò)大，部分水流會(huì)在脫壁處回流形成漩渦，造成內(nèi)部流態(tài)惡化，造成局部的水頭損失[1]。為了解決問(wèn)題，部分抽水蓄能電站采用在岔管部位增設(shè)導(dǎo)流板的方式減小水頭損失，并取得了良好的工程效果[2]。此次研究在以往工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)導(dǎo)流板的體型進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。其中，導(dǎo)流板的板面為拋物柱面，一側(cè)和岔管的月牙肋內(nèi)緣線完全吻合，另一側(cè)和岔管支管的內(nèi)管壁相連。導(dǎo)流板的偏轉(zhuǎn)角也就是導(dǎo)流板脊母線與月牙肋板的夾角對(duì)導(dǎo)流板的作用發(fā)揮存在顯著影響，此次研究通過(guò)數(shù)值模擬的方法，對(duì)導(dǎo)流板偏轉(zhuǎn)角進(jìn)行優(yōu)化研究，以便為工程設(shè)計(jì)提供有益的借鑒。

2 有限元計(jì)算模型的構(gòu)建

2.1 模型構(gòu)建

此次研究利用ANSYS 軟件進(jìn)行背景工程的有限元模型構(gòu)建。針對(duì)背景工程岔管的特點(diǎn)和研究需要，研究中岔管的殼體參數(shù)化建模從主管開始，采用自下而上，由點(diǎn)到面逐級(jí)建模的思路完成[3]。月牙肋及導(dǎo)流板為具有一定厚度的體單元，而月牙肋結(jié)構(gòu)面十分復(fù)雜，并不能利用ANSYS 軟件直接建模。因此，在研究中采用各部分單獨(dú)建模，再進(jìn)行加運(yùn)算的方式解決[4]。為了保證模型本身的真實(shí)性和可靠性，對(duì)岔管的管殼全部采用SHELL181 單元模擬，鑒于月牙肋和導(dǎo)流板的厚度較大，采用SOLID45 單元模擬[5]。由于整個(gè)岔管結(jié)構(gòu)由直管段、過(guò)渡段、管錐段、肋板及導(dǎo)流板構(gòu)成，且各部位的結(jié)構(gòu)和形狀存在較大的差別。因此，在模型的網(wǎng)格剖分過(guò)程中，采用的是各部分進(jìn)行單獨(dú)網(wǎng)格劃分的方式進(jìn)行[6]。此外，模型的接觸單元采用了CONTAC52 單元，在使用時(shí)需要先設(shè)定接觸單元的兩個(gè)接觸端節(jié)點(diǎn)，然后在兩者之間構(gòu)建CONTAC52 接觸單元。整個(gè)模型被劃分為36 540個(gè)網(wǎng)格單元、36 996 個(gè)節(jié)點(diǎn)，有限元模型示意圖如圖1 所示。

圖1 有限元模型示意圖

2.2 模型求解

結(jié)合工程的初步設(shè)計(jì)，岔管利用Q345 型鋼材制作。該型鋼材的彈性模量為206 GPa，切線模量為0.01 E，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為345 MPa。在模擬計(jì)算過(guò)程中，主管端部沿軸向進(jìn)行約束，在支管的各結(jié)點(diǎn)部位施加軸向拉力[7]。模型的計(jì)算和求解過(guò)程主要分為4 步：第一步，施加內(nèi)水壓力，也就是對(duì)岔管的所有內(nèi)表面施加內(nèi)水壓力；第二步，設(shè)置固端約束，在岔管的主管和兩支管固定端設(shè)置全約束，確保整個(gè)岔管在計(jì)算求解過(guò)程中不會(huì)發(fā)生移動(dòng)；第三步，設(shè)置接觸單元外側(cè)節(jié)點(diǎn)為全約束，單元的另一側(cè)節(jié)點(diǎn)由于在岔管上，當(dāng)岔管受力發(fā)生變形時(shí)，接觸單元會(huì)起到類似于彈簧的作用；第四步，確定算法并求解。在計(jì)算過(guò)程將結(jié)構(gòu)分析類型確定為大變形，定義荷載步數(shù)為20 步，選擇整個(gè)圖形進(jìn)行求解。

2.3 計(jì)算方案

此次研究的主要目的是利用數(shù)值模擬的方式進(jìn)行抽水蓄能電站引水系統(tǒng)鋼岔管導(dǎo)流板的優(yōu)化。在導(dǎo)流板體型優(yōu)化方面，導(dǎo)流板偏轉(zhuǎn)角為控制其體型的主要參數(shù)[8]。為研究分析導(dǎo)流板偏轉(zhuǎn)角的影響，在岔管原始設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了7°，14°，21°，28°和35°等5 種不同偏轉(zhuǎn)角的導(dǎo)流板方案，并以0°（沒(méi)有設(shè)置導(dǎo)流板）作為對(duì)比研究方案。通過(guò)對(duì)不同方案的流速、水頭損失和效益進(jìn)行模擬計(jì)算，以便對(duì)不同方案做出科學(xué)評(píng)價(jià)[9]。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 流速

利用構(gòu)建的數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)岔管在抽水和發(fā)電工況下的管內(nèi)流速進(jìn)行模擬計(jì)算。結(jié)合相關(guān)研究成果，岔管襠部的水流流態(tài)比較復(fù)雜，容易形成回流和漩渦，并成為紊流狀態(tài)下水頭損失產(chǎn)生的主要原因。研究中提取岔管襠部左側(cè)支管橫斷面的水流流速，結(jié)果如表1 所示。從表1 中的計(jì)算結(jié)果可以看出，在不設(shè)置導(dǎo)流板的工況下，岔管襠部在抽水和發(fā)電情況下都存在明顯的回流現(xiàn)象，從而在該部位形成諸多細(xì)小的漩渦。在增設(shè)導(dǎo)流板之后，除7°導(dǎo)流板偏轉(zhuǎn)角工況，岔管襠部均沒(méi)有水體回流，也不存在明顯的漩渦，流態(tài)更順暢，流速更均勻。從不同導(dǎo)流板偏轉(zhuǎn)角工況的對(duì)比來(lái)看，導(dǎo)流板偏轉(zhuǎn)角為28°時(shí)的效果最佳，流速最為均勻，流態(tài)也最為順暢。

表1 岔管襠部流速計(jì)算結(jié)果 m/s

3.2 水頭損失

利用構(gòu)建的模型計(jì)算不同導(dǎo)流板偏轉(zhuǎn)角方案下水頭損失系數(shù)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制出水頭損失系數(shù)隨導(dǎo)流板偏轉(zhuǎn)角變化曲線，結(jié)果如圖2 所示。由圖2 可以看出，在岔管增設(shè)導(dǎo)流板后，無(wú)論是抽水工況還是發(fā)電工況，岔管的水頭損失系數(shù)都呈現(xiàn)出先迅速減小后又小幅上升的變化特點(diǎn)。兩種工況相比，抽水工況的水頭損失系數(shù)隨導(dǎo)流板偏轉(zhuǎn)角的變化十分顯著，發(fā)電工況的變化相對(duì)較小。究其原因，主要是導(dǎo)流板設(shè)置在月牙肋板的兩側(cè)，在空間上屬于原岔管的支椎管部位，因此會(huì)對(duì)其內(nèi)部的幾何形態(tài)造成比較明顯的改變，而對(duì)主椎管內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)形態(tài)基本沒(méi)有影響。同時(shí)，岔管內(nèi)的漩渦主要存在于支椎管內(nèi)側(cè)，所以，水頭損失主要產(chǎn)生在支椎管部位。因此，設(shè)置導(dǎo)流板對(duì)抽水工況的影響相對(duì)較大，而對(duì)發(fā)電工況的影響相對(duì)較小。從不同導(dǎo)流板偏轉(zhuǎn)角方案的對(duì)比來(lái)看，偏轉(zhuǎn)角為28°時(shí)對(duì)抽水工況最有利，偏轉(zhuǎn)角為21°時(shí)對(duì)發(fā)電工況最有利。鑒于發(fā)電工況受導(dǎo)流板偏轉(zhuǎn)角的影響較小，導(dǎo)流板偏轉(zhuǎn)角為28°時(shí)可以獲得最佳水頭損失控制效果。

圖2 水頭損失系數(shù)隨導(dǎo)流板偏轉(zhuǎn)角變化曲線

3.3 效益損失分析

抽水蓄能電站的水頭損失會(huì)對(duì)電站本身的經(jīng)濟(jì)效益損失產(chǎn)生十分顯著的影響。研究中，根據(jù)岔管導(dǎo)流板不同偏轉(zhuǎn)角下的水頭損失計(jì)算結(jié)果，分別求出不同導(dǎo)流板偏轉(zhuǎn)角下的電站年效益損失數(shù)值，結(jié)果如表2 所示。從表2 中的計(jì)算結(jié)果可以看出，發(fā)電工況和抽水工況，隨著導(dǎo)流板偏轉(zhuǎn)角的增大，電站的效益損失均呈現(xiàn)出先減小后小幅增加的變化特點(diǎn)，其變化規(guī)律與水頭損失的變化特征基本一致。從電站效益的總損失來(lái)看，隨著導(dǎo)流板偏轉(zhuǎn)角的增大，電站的效益損失呈現(xiàn)出先迅速減小后小幅增加的變化特點(diǎn)。當(dāng)導(dǎo)流板偏轉(zhuǎn)角為28°時(shí)，由于岔管水頭損失造成的年效益總損失最小，為99.6 萬(wàn)元左右。與原始設(shè)計(jì)方案相比，該設(shè)計(jì)方案每年可以減少效益損失31.58 萬(wàn)元。

表2 電站效益損失計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

此次研究通過(guò)數(shù)值模擬的方式，探討了在岔管部位增設(shè)導(dǎo)流板的影響，并對(duì)導(dǎo)流板的偏轉(zhuǎn)角進(jìn)行優(yōu)化分析，通過(guò)計(jì)算結(jié)果得出了水流流態(tài)改善作用最佳、水頭損失和電站效益損失最小的最佳設(shè)計(jì)方案為導(dǎo)流板偏轉(zhuǎn)角為28°。與不增設(shè)導(dǎo)流板的工況相比，增設(shè)導(dǎo)流板可以優(yōu)化岔管部位的流態(tài)，減少水頭損失和電站效益損失，具有顯著的工程意義和經(jīng)濟(jì)意義。