張 立，程海燕

（1.浙江經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 應(yīng)用工程學(xué)院，浙江 杭州 310018； 2.浙江財(cái)經(jīng)大學(xué)東方學(xué)院 外國(guó)語(yǔ)學(xué)院，浙江 海寧 314408）

多級(jí)液力透平機(jī)組是保障新能源車輛氫能儲(chǔ)能、石油煉化一體化等領(lǐng)域順利實(shí)施的重要基礎(chǔ)裝備[1-2]，液力透平機(jī)組的工作穩(wěn)定性和可靠性事關(guān)整個(gè)石油煉化裝置的安全平穩(wěn)可靠運(yùn)行。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，液力透平的運(yùn)行工況會(huì)隨著上下游工況變化而改變，在調(diào)控過(guò)程中也會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)速的變化。通常將這種透平內(nèi)來(lái)流液體流量、壓力及轉(zhuǎn)速的變化統(tǒng)稱為液力透平的瞬變工況。在瞬變工況下，多級(jí)液力透平內(nèi)部流動(dòng)呈現(xiàn)極強(qiáng)的非定常脈動(dòng)特性。透平內(nèi)部的流量、壓力等特性會(huì)在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生較大變化，透平內(nèi)部流體處于非穩(wěn)定的瞬變流動(dòng)狀態(tài)，極易產(chǎn)生回流、二次流、分離和旋渦等非定常流動(dòng)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而引發(fā)透平機(jī)組的振動(dòng)和噪聲問(wèn)題。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)多級(jí)液力透平性能的研究，主要集中在以提高能量轉(zhuǎn)化效率為主線的參數(shù)化設(shè)計(jì)上。JAIN S V等[3]針對(duì)軸流式泵在透平運(yùn)行模式下葉片高度和葉片數(shù)對(duì)其水力性能影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)隨著葉片數(shù)目的增加，效率急劇下降，葉片高度的降低直接使得經(jīng)過(guò)葉輪的水力損失降低，但不會(huì)對(duì)水力性能產(chǎn)生主要影響。YANG S等[4]對(duì)葉輪與蝸殼之間間隙大小與多級(jí)液力透平性能和壓力脈動(dòng)之間的關(guān)系進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)隨著間隙的增加，多級(jí)液力透平效率在流量最優(yōu)點(diǎn)之后，呈現(xiàn)逐漸增加趨勢(shì)。李延頻等[5]研究了葉片包角對(duì)水輪機(jī)模式多級(jí)液力透平性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著包角的增大，透平水頭逐漸升高，效率先增大后減小。有關(guān)多級(jí)液力透平水力性能穩(wěn)定性的研究主要圍繞內(nèi)流場(chǎng)的壓力脈動(dòng)和瞬態(tài)水力激振力展開。宿向輝[6]對(duì)多級(jí)液力透平的水力穩(wěn)定性進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，認(rèn)為蝸殼、固定導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪的搭配形式能使提升水力效率得到提升，改善運(yùn)行穩(wěn)定性情況。因此，要保證多級(jí)液力透平在瞬變工況下安全可靠的運(yùn)行，不僅要關(guān)注性能參數(shù)的變化，更需了解內(nèi)部非定常流動(dòng)的原理和特性，以及內(nèi)部流動(dòng)對(duì)性能參數(shù)的影響規(guī)律。為了全面了解多級(jí)液力透平的穩(wěn)定性問(wèn)題，本文利用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)液力透平瞬變工況時(shí)的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行分析，研究結(jié)果將為多級(jí)液力透平機(jī)組的設(shè)計(jì)開發(fā)和可靠運(yùn)行提供理論支撐。

1 液力透平模型構(gòu)建及求解方法

1.1 液力透平模型的選取

本文將以氫能儲(chǔ)能裝置中，一組具有典型結(jié)構(gòu)參數(shù)的二級(jí)液力透平機(jī)組簡(jiǎn)化模型為研究對(duì)象，該簡(jiǎn)化模型結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其中兩級(jí)葉輪結(jié)構(gòu)相同，進(jìn)水室采用環(huán)形進(jìn)水室，出水室采用準(zhǔn)螺旋形出水室，首級(jí)導(dǎo)葉選取無(wú)反導(dǎo)葉的徑向?qū)~，級(jí)間導(dǎo)葉選用具有正反導(dǎo)葉的徑向?qū)~。透平設(shè)計(jì)性能參數(shù)中，流量為275 m3/h、水頭為173 m、轉(zhuǎn)速為2950 r/min；透平結(jié)構(gòu)主要參數(shù)中，葉輪進(jìn)口直徑為164 mm、葉輪出口直徑為301 mm、葉輪出口寬度為17 mm、葉輪進(jìn)口安放角為45°、葉輪出口安放角為83°、葉片數(shù)為7、進(jìn)水室進(jìn)口直徑為120 mm、出水室出口直徑為155 mm、正導(dǎo)葉數(shù)為11、反導(dǎo)葉數(shù)為9。

圖1 多級(jí)液力透平模型示意圖

1.2 基于LES動(dòng)態(tài)亞格子模式修正的數(shù)值計(jì)算方法

為了使液力透平進(jìn)口流體均勻流入，出口流體充分?jǐn)U散，對(duì)透平的進(jìn)口和出口分別進(jìn)行加長(zhǎng)。采用PRO/Engineer（PROE）軟件建立多級(jí)液力透平的計(jì)算域模型，利用Gambit軟件混合網(wǎng)格劃分全流道模型，如圖2所示。氫能儲(chǔ)能流程需要12 MPa以上的壓力環(huán)境，因此，將液力透平進(jìn)口邊界條件設(shè)置為速度進(jìn)口、壓力出口，葉輪流道與其他流道的交界面設(shè)置為滑移壁面，其他部分壁面條件無(wú)滑移，各部件交界面設(shè)置為interface。利用計(jì)算機(jī)仿真軟件開展定常計(jì)算時(shí)，采用SIMPLEC算法實(shí)現(xiàn)壓力和速度耦合求解，計(jì)算收斂標(biāo)準(zhǔn)為10-4。開展非定常計(jì)算時(shí)，葉輪每旋轉(zhuǎn)3°所用的時(shí)間被作為一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)，每個(gè)葉輪旋轉(zhuǎn)周期有120個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)，每個(gè)葉輪旋轉(zhuǎn)周期近似為0.02 s，總計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為6個(gè)葉輪旋轉(zhuǎn)周期時(shí)長(zhǎng)，選取最后一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

圖2 模型全流場(chǎng)網(wǎng)格示意圖

在湍流數(shù)值計(jì)算方面，本文擬針對(duì)多級(jí)液力透平變內(nèi)部流動(dòng)特點(diǎn)，構(gòu)建考慮非線性速度梯度與螺旋度影響的動(dòng)態(tài)亞格子應(yīng)力模式的大渦模擬計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)多級(jí)液力透平水力性能和內(nèi)部非定常流動(dòng)的準(zhǔn)確數(shù)值預(yù)測(cè)。在精確數(shù)值計(jì)算的大渦模擬（Large Eddy Simulation, LES）湍流模型上，需考慮瞬變工況下多級(jí)液力透平內(nèi)部急變流引起旋渦主導(dǎo)的復(fù)雜湍流影響，引入非線性速度梯度與螺旋度影響項(xiàng)，擬構(gòu)建的亞格子應(yīng)力模式為

考慮不同方向上速度的較大差異，擬確定基于當(dāng)?shù)厮俣雀黜?xiàng)異性的濾波函數(shù)，即

2 瞬變工況下液力透平內(nèi)外特性變化

2.1 瞬變流量工況下壓力脈動(dòng)分析

液力透平瞬變工況既包括葉輪轉(zhuǎn)速的突然變化，也包括透平上下流流量的突然變化。本文中瞬變流量工況主要是指液力透平進(jìn)口流量由額定流量突然調(diào)節(jié)到0.8倍額定流量的特定瞬變過(guò)程。由于透平內(nèi)部的壓力脈動(dòng)是反應(yīng)液力透平內(nèi)部流場(chǎng)非定常脈動(dòng)的主要指標(biāo)，故分別在進(jìn)水室、葉輪處、導(dǎo)葉處以及出水室等部件設(shè)置壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖3所示。

圖3 多級(jí)液力透平各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置

選用壓力系數(shù)來(lái)衡量比較壓力脈動(dòng)的幅值和脈動(dòng)頻率。該壓力系數(shù)為

式中，p為瞬時(shí)壓力；為采用時(shí)間內(nèi)的平均壓力；ρ為流體密度；U為葉輪出口圓周速度。

圖4為液力透平各監(jiān)測(cè)點(diǎn)瞬變前后的壓力脈動(dòng)時(shí)域圖。液力透平進(jìn)水室的壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)CK-01位于進(jìn)水室的蝸舌位置。從圖4(a)中對(duì)比發(fā)現(xiàn)，進(jìn)水室蝸舌位置的壓力脈動(dòng)在額定流量Q工況時(shí)，呈現(xiàn)周期性等幅規(guī)則脈動(dòng)，脈動(dòng)頻率與葉輪旋轉(zhuǎn)周期基本一致，壓力系數(shù)Cp在-0.002～0.004中產(chǎn)生周期性變化。當(dāng)進(jìn)口流量由額定流量Q瞬變?yōu)?.8倍額定流量（0.8Q）時(shí)，進(jìn)水室蝸舌位置的壓力脈動(dòng)呈現(xiàn)出首先增強(qiáng)式突變后快速下降，然后再回升再下降，并最終穩(wěn)定的周期性脈動(dòng)趨勢(shì)，壓力系數(shù)Cp首先由0.15突變?yōu)?.2，然后快速下降到-0.10，再次拉升到-0.02后最后下降穩(wěn)定在-0.20附近變化，最大的尖峰壓力系數(shù)是瞬變前的壓力系數(shù)峰值的5倍。

液力透平導(dǎo)葉的壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)DY-01位于兩個(gè)正導(dǎo)葉之間的流道內(nèi)。從圖4(b)中對(duì)比發(fā)現(xiàn)，正導(dǎo)葉DY-01監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)在額定流量Q工況 時(shí)，呈現(xiàn)周期性等幅規(guī)則脈動(dòng)，脈動(dòng)頻率與葉輪旋轉(zhuǎn)周期一致，壓力系數(shù)Cp在-0.15～0.05產(chǎn)生周期性變化。當(dāng)進(jìn)口流量處于瞬變工況時(shí)，DY-01監(jiān)測(cè)點(diǎn)在瞬變過(guò)程中發(fā)現(xiàn)存在突變的尖峰負(fù)壓力脈動(dòng)，最大的尖峰壓力系數(shù)為瞬變前壓力系數(shù)峰值的2倍，瞬變后DY-02監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力系數(shù)變化范圍比瞬變前的壓力系數(shù)變化范圍要大。

液力透平葉輪的壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)YL-01位于兩個(gè)葉輪之間的流道內(nèi)。從圖4(c)中對(duì)比發(fā)現(xiàn)，葉輪YL-01監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)在額定流量Q工況時(shí)呈現(xiàn)周期性非等幅規(guī)則脈動(dòng)，脈動(dòng)頻率與葉輪旋轉(zhuǎn)周期沒(méi)有明顯的一致性，這反映出葉輪內(nèi)部流場(chǎng)的復(fù)雜性，壓力系數(shù)Cp在-0.02與0.02之間周期性變化。當(dāng)進(jìn)口流量處于瞬變工況時(shí)，YL-01監(jiān)測(cè)點(diǎn)在瞬變過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有小突變的尖峰壓力脈動(dòng)存在，壓力系數(shù)Cp在-0.02與0.06之間周期性變化，瞬變后YL-01監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力系數(shù)脈動(dòng)區(qū)間明顯高于瞬變前的壓力系數(shù)脈動(dòng)區(qū)間，瞬變前后YL-01監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力系數(shù)脈動(dòng)范圍沒(méi)有發(fā)生變化。

圖4 液力透平各監(jiān)測(cè)點(diǎn)瞬變前后的壓力脈動(dòng)時(shí)域圖

液力透平出水室的壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)JK-01位于出水室的環(huán)形流道底部。從圖4(d)中對(duì)比發(fā)現(xiàn)，出水室JK-01監(jiān)測(cè)點(diǎn)在額定流量Q工況時(shí)，壓力脈動(dòng)呈現(xiàn)周期性等幅規(guī)則脈動(dòng)，脈動(dòng)頻率與葉輪旋轉(zhuǎn)沒(méi)有明顯的一致性，壓力系數(shù)Cp在-0.002～0.002產(chǎn)生周期性變化。當(dāng)進(jìn)口流量處于瞬變工況時(shí)，JK-01監(jiān)測(cè)點(diǎn)在瞬變過(guò)程中發(fā)現(xiàn)存在突變的尖峰壓力脈動(dòng)，最大的尖峰壓力系數(shù)是瞬變前的壓力系數(shù)峰值的3倍，瞬變過(guò)程中的壓力脈動(dòng)呈現(xiàn)階梯狀緩慢下降趨勢(shì)。瞬變前后JK-01監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力系數(shù)脈動(dòng)范圍沒(méi)有發(fā)生變化。

綜合分析對(duì)比液力透平各部件監(jiān)測(cè)點(diǎn)在流量瞬變工況下的壓力脈動(dòng)情況后發(fā)現(xiàn)，流量瞬變會(huì)引起液力透平內(nèi)部各部件的壓力脈動(dòng)突變，該突變壓力強(qiáng)度遠(yuǎn)超過(guò)液力透平內(nèi)部各部件自身的壓力脈動(dòng)幅度，其中進(jìn)水室受流量瞬變的影響最大，葉輪受流量瞬變的影響相對(duì)比較小。

2.2 瞬變工況下內(nèi)部流場(chǎng)分析

圖5為液力透平在瞬變流量工況前后XY截面內(nèi)部速度流場(chǎng)的流線分布規(guī)律。從圖5(a)中可知，瞬變工況前進(jìn)水室的環(huán)形流道內(nèi)、首級(jí)導(dǎo)葉處、葉輪處、級(jí)間導(dǎo)葉處以及出水室等多個(gè)區(qū)域都存 在旋渦。從圖5(b)中可知，當(dāng)瞬變流量工況發(fā)生后，進(jìn)水室的速度流線分布更加均勻，葉輪處的速度流線分布也變得相對(duì)均勻，此處幾乎沒(méi)有產(chǎn)生旋渦，這歸功于進(jìn)水室速度流場(chǎng)的改善。但級(jí)間導(dǎo)葉處的速度流場(chǎng)變得更加雜亂，此處存在多 個(gè)旋渦，水流損失比較大。出水室的速度流線也比較雜亂，存在多個(gè)旋渦。綜上觀察發(fā)現(xiàn)，均勻的葉輪內(nèi)部流場(chǎng)對(duì)改善級(jí)間導(dǎo)葉和出水室的內(nèi)部流場(chǎng)分布作用不大，但均勻的進(jìn)水室內(nèi)部流場(chǎng)能夠改善葉輪處的內(nèi)部流場(chǎng)分布。

圖5 液力透平瞬變工況前后速度流線圖

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)多級(jí)液力透平在瞬變工況下產(chǎn)生的非定常流動(dòng)特性進(jìn)行系統(tǒng)的深入研究，得出結(jié)論如下：

1）流量瞬變會(huì)引起液力透平內(nèi)部各部件的壓力脈動(dòng)突變，該突變壓力強(qiáng)度遠(yuǎn)超過(guò)液力透平內(nèi)部各部件自身的壓力脈動(dòng)幅度，其中進(jìn)水室受流量瞬變的影響最大，最大壓力突變強(qiáng)度是瞬變前的5倍；葉輪受流量瞬變的影響相對(duì)比較小，最小壓力突變強(qiáng)度是瞬變前的2倍。

2）瞬變工況時(shí)，進(jìn)水室的速度流線分布更加均勻，葉輪處的速度流線分布也變得相對(duì)均勻，此處幾乎沒(méi)有產(chǎn)生旋渦，但級(jí)間導(dǎo)葉處的速度流場(chǎng)變得更加雜亂，此處存在多個(gè)旋渦，水流損失比較大。出水室的速度流線也比較雜亂，存在多個(gè)旋渦。