卜瑋晶,潘樹昌

(1. 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130122;2. 河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,天津 300401)

隨著水利水電工程行業(yè)的發(fā)展,水電、光電和抽水蓄能等多種可再生能源發(fā)電方式形成互補(bǔ)系統(tǒng),減少棄水、棄光等能源的耗費(fèi),提高了自然界可再生能源的發(fā)電效率和能源利用率.常規(guī)水電站需要依據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷的變化不斷調(diào)整水輪機(jī)出力,因此,高頻率的出力調(diào)整和水輪機(jī)在高負(fù)荷工況下的穩(wěn)定運(yùn)行成為電站安全運(yùn)行的基本要求.

目前,國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)采用計(jì)算流體力學(xué)對(duì)水力發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定性展開了研究.SU等[1]對(duì)3種不同轉(zhuǎn)速及其最佳效率點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值研究,討論了速度剖面、葉片載荷、壓力脈動(dòng)和振動(dòng)特性,形成了渦輪穩(wěn)定性的綜合評(píng)價(jià).LIU等[2]在RNGk-ε湍流模型的基礎(chǔ)上,提出了一種新的非線性湍流模型,并采用Ehrhard的非線性方法求解剪切應(yīng)力,研究了導(dǎo)流葉片錯(cuò)位泵水輪機(jī)的S區(qū)失穩(wěn)問題.ZHOU等[3]研究了4種偏載工況下的壓力脈動(dòng)和軸向水推力脈動(dòng),對(duì)無(wú)葉區(qū)、流道和尾水管內(nèi)部的壓力脈動(dòng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析.SHI等[4]基于雷諾時(shí)均控制方程和RNGk-ε湍流模型,對(duì)水泵水輪機(jī)進(jìn)行了非定常三維數(shù)值模擬,得到了導(dǎo)葉式水輪機(jī)的壓力脈動(dòng)特性,發(fā)現(xiàn)蝸殼內(nèi)壓力脈動(dòng)時(shí)域呈周期性變化,且具有相同的周期.FENG等[5]研究了偏工況下運(yùn)行的水輪機(jī),輸出功率波動(dòng)較大,現(xiàn)場(chǎng)對(duì)樣機(jī)進(jìn)行的試驗(yàn)表明,尾水管渦激頻率與發(fā)電機(jī)固有頻率共振是脈動(dòng)產(chǎn)生的主要原因.YANG等[6]采用瞬態(tài)數(shù)值模擬方法研究了軸流泵水輪機(jī)運(yùn)行時(shí)簸箕形管道內(nèi)渦的演化特征和壓力脈動(dòng),并將模擬得到的壓力脈動(dòng)信號(hào)與模型試驗(yàn)的壓力脈動(dòng)結(jié)果進(jìn)行了比較.LI等[7]采用數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法,研究了離心泵不同流量工況下軸端密封膜表面壓力脈動(dòng)特性.龐嘉揚(yáng)等[8]基于水光蓄互補(bǔ)聯(lián)合系統(tǒng)研究了超低出力區(qū)水輪機(jī)的壓力脈動(dòng)現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪葉片出口出現(xiàn)回流現(xiàn)象,確定了機(jī)組的運(yùn)行工況區(qū)間和壓力脈動(dòng)源.宋罕等[9]研究了不同導(dǎo)葉開度對(duì)混流式水輪機(jī)壓力脈動(dòng)特性的影響,確定了各種開度下壓力脈動(dòng)幅值和壓力脈動(dòng)源以及脈動(dòng)在機(jī)組內(nèi)部傳動(dòng)規(guī)律.張軍智等[10]總結(jié)了多能互補(bǔ)系統(tǒng)中混流式水輪機(jī)的所有負(fù)荷工況穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性,對(duì)系統(tǒng)中常規(guī)水輪機(jī)組的轉(zhuǎn)輪改造進(jìn)行了設(shè)計(jì)創(chuàng)新.邱勝等[11]基于長(zhǎng)短葉片式混流式水輪機(jī),研究了不同工況下水輪機(jī)的內(nèi)流場(chǎng)變化和水輪機(jī)內(nèi)部不同區(qū)域的壓力脈動(dòng)情況,并研究了流體機(jī)械內(nèi)部空化發(fā)展情況以及空化對(duì)流體機(jī)械的壓力脈動(dòng)影響.錢忠東等[12]基于試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算2種方式研究了水泵水輪機(jī)和燈泡貫流式水輪機(jī)不同運(yùn)行工況下全流道內(nèi)部各過流部件的壓力脈動(dòng)規(guī)律.賴喜德等[13]研究了核主泵在定轉(zhuǎn)速下的四象限運(yùn)行特性曲線,并確定特性曲線的運(yùn)行可靠性和混流式核主泵不同工況下葉輪和空間導(dǎo)葉流道中各特征結(jié)構(gòu)位置的壓力脈動(dòng)特性,對(duì)壓力脈動(dòng)頻源和傳播規(guī)律等進(jìn)行定量和定性分析.康永剛等[14]分析了超低出力工況下混流式水輪機(jī)的壓力脈動(dòng)發(fā)展規(guī)律,并對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片靜應(yīng)力進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,保證了機(jī)組物理參數(shù)滿足規(guī)范要求.

由于中比轉(zhuǎn)數(shù)混流式水輪機(jī)組在偏負(fù)荷工況下的內(nèi)流場(chǎng)變化和壓力脈動(dòng)特性研究?jī)?nèi)容尚缺,文中基于SSTk-ω湍流模型對(duì)中比轉(zhuǎn)數(shù)混流式水輪機(jī)進(jìn)行數(shù)值分析,計(jì)算結(jié)果揭示水輪機(jī)在偏負(fù)荷工況下內(nèi)流場(chǎng)變化特性和機(jī)組穩(wěn)定性的變化規(guī)律,研究結(jié)果可對(duì)中比轉(zhuǎn)數(shù)混流式水輪機(jī)在水光蓄互補(bǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)偏負(fù)荷工況下的穩(wěn)定運(yùn)行提供工程價(jià)值.

1 數(shù)值計(jì)算方法

1.1 三維模型及網(wǎng)格劃分

某水光蓄互補(bǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中常規(guī)混流式水輪機(jī)流體域計(jì)算模型如圖1所示.

其主要設(shè)計(jì)參數(shù):額定水頭Hr=131 m,最高水頭Hmax=154 m,設(shè)計(jì)流量Qr=16.4 m3/s,額定轉(zhuǎn)速n=428.6 r/min,額定開度ar=86 mm,活動(dòng)導(dǎo)葉數(shù)Zg=24,轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)Zr=14,額定出力Pr=20.2 MW,轉(zhuǎn)輪直徑D1=1.77 m.

水輪機(jī)比轉(zhuǎn)數(shù)是一種反映其轉(zhuǎn)速、水頭、流量和出力之間關(guān)系的量綱為一參數(shù),代表同一系列水輪機(jī)在相似工況下運(yùn)行的綜合性能,比轉(zhuǎn)數(shù)的運(yùn)用對(duì)提高機(jī)組動(dòng)能效益以及降低機(jī)組造價(jià)和廠房土建成本具有重要意義.文中水輪機(jī)比轉(zhuǎn)數(shù)ns計(jì)算式為

(1)

式中:n為轉(zhuǎn)速,r/min;經(jīng)計(jì)算得,水輪機(jī)比轉(zhuǎn)數(shù)為137.6,屬于中比轉(zhuǎn)數(shù)混流式水輪機(jī).

采取網(wǎng)格生成軟件ICEM CFD對(duì)固定導(dǎo)葉、活動(dòng)導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪、尾水管的三維水體模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分,同時(shí)對(duì)蝸殼的三維水體模型進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分,將分別生成的網(wǎng)格進(jìn)行合并得到整個(gè)水輪機(jī)三維計(jì)算網(wǎng)格.在網(wǎng)格劃分過程中,通過試算來(lái)進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證,共劃分了4組不同數(shù)目的網(wǎng)格(見表1),表中Qc為計(jì)算流量,δ為相對(duì)誤差.以尾水管出口流量作為驗(yàn)證目標(biāo),選取方案3的網(wǎng)格數(shù)據(jù)作為計(jì)算網(wǎng)格.最終生成水輪機(jī)三維計(jì)算網(wǎng)格,網(wǎng)格總數(shù)N為1 142.37萬(wàn),其中蝸殼為159.82萬(wàn),導(dǎo)水機(jī)構(gòu)為347.07萬(wàn),轉(zhuǎn)輪為510.63萬(wàn),尾水管為124.85萬(wàn),各過流部件網(wǎng)格如圖2所示.

表1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

圖2 計(jì)算域網(wǎng)格及局部示意圖

1.2 計(jì)算工況點(diǎn)

常規(guī)混流式水輪機(jī)工作運(yùn)行工況通常低于出力限制線(即5%出力限制線),不同水頭下水輪機(jī)的出力限制線工況點(diǎn)出力各不一樣,文中混流式水輪機(jī)研究工況包括額定水頭和最高水頭,高出力工況區(qū)出力處于額定出力至5%出力限制線間,具體研究工況點(diǎn)的計(jì)算參數(shù)見表2,表中H為水頭,a為開度,P為出力.

表2 各工況點(diǎn)計(jì)算參數(shù)

1.3 計(jì)算方法驗(yàn)證

文中對(duì)水光蓄互補(bǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)混流式水輪機(jī)開展了計(jì)算方法準(zhǔn)確性分析,每隔5%開度進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,根據(jù)計(jì)算結(jié)果獲得各開度下機(jī)組的出力和效率值,并與水輪機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,由圖3可知,不同開度下的計(jì)算出力和試驗(yàn)出力、計(jì)算效率和試驗(yàn)效率曲線相似,趨勢(shì)一致,誤差較小.因此該數(shù)值計(jì)算方案準(zhǔn)確,計(jì)算精度高.

圖3 數(shù)值計(jì)算方法準(zhǔn)確性驗(yàn)證對(duì)比

2 數(shù)值模擬

2.1 湍流模型

在水力發(fā)電實(shí)際工程中,工況的變化對(duì)流體流態(tài)有巨大的影響,需要對(duì)各種流態(tài)進(jìn)行初步分析并合理選擇湍流模型.文中湍流模型選用SSTk-ω湍流模型,該模型只需要初始邊界條件,適用于雷諾剪切應(yīng)力起主要作用的流態(tài).

SSTk-ω湍流模型方程形式為

(2)

Gω-Yω+Sω+Dω,

(3)

2.2 邊界條件

進(jìn)、出口邊界條件采用壓力進(jìn)口及壓力出口,根據(jù)水頭條件確定進(jìn)口總壓力,額定水頭下進(jìn)口總壓為1 485.5 kPa,最高水頭下進(jìn)口總壓為1 724.8 kPa.參考?jí)毫υO(shè)置為0,出口壓力為靜壓出口,根據(jù)水輪機(jī)安裝高程設(shè)定靜壓值為194.6 kPa.在混流式水輪機(jī)內(nèi)各過流表面及轉(zhuǎn)輪葉片等固壁上,速度需滿足無(wú)滑移壁面條件,在近壁區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù).穩(wěn)態(tài)計(jì)算時(shí),活動(dòng)導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪間的動(dòng)靜交界面設(shè)置為凍結(jié)轉(zhuǎn)子(Frozen rotor)類型;瞬態(tài)計(jì)算時(shí),動(dòng)靜交界面設(shè)置為瞬態(tài)凍結(jié)轉(zhuǎn)子(Transient rotor stator)類型.瞬態(tài)計(jì)算基于穩(wěn)態(tài)計(jì)算初始結(jié)果,選取轉(zhuǎn)輪每旋轉(zhuǎn)1°為單個(gè)時(shí)間步長(zhǎng),總時(shí)長(zhǎng)為20個(gè)周期(即總時(shí)間t=2.799 8 s),提取第19和20圈內(nèi)機(jī)組監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)幅值,采用FFT進(jìn)行壓力脈動(dòng)的頻率分析.

2.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

數(shù)值計(jì)算非定常計(jì)算過程中動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置對(duì)于壓力脈動(dòng)數(shù)據(jù)獲取尤為重要,可以準(zhǔn)確捕捉整個(gè)流道中壓力時(shí)域數(shù)據(jù)和分布規(guī)律.文中監(jiān)測(cè)點(diǎn)A位于導(dǎo)葉間無(wú)葉區(qū),監(jiān)測(cè)點(diǎn)B位于導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪間無(wú)葉區(qū),監(jiān)測(cè)點(diǎn)C為轉(zhuǎn)輪流道中心,監(jiān)測(cè)點(diǎn)D,E位于尾水管直錐段,監(jiān)測(cè)點(diǎn)F,G位于尾水管彎肘段,具體布置情況如圖4所示.

圖4 水輪機(jī)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 高負(fù)荷工況下的轉(zhuǎn)輪內(nèi)流場(chǎng)分析

轉(zhuǎn)輪是混流式水輪機(jī)將水的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的核心部件,其內(nèi)部流態(tài)的穩(wěn)定性和高效性是影響水力發(fā)電效率的關(guān)鍵因素.圖5,6分別為額定水頭和最高水頭下水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪內(nèi)壓力分布和流線分布.

圖5 額定水頭下轉(zhuǎn)輪葉片壓力和轉(zhuǎn)輪流道流線分布

圖6 最高水頭下轉(zhuǎn)輪葉片壓力和轉(zhuǎn)輪流道流線分布

從圖5,6中可看出,高負(fù)荷工況下的水流流經(jīng)轉(zhuǎn)輪后,水流能量從勢(shì)能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能,轉(zhuǎn)輪進(jìn)出口壓力差可近似視為水流能量轉(zhuǎn)化為電站出力大小,轉(zhuǎn)輪葉片壓力沿著轉(zhuǎn)輪進(jìn)口至出口呈現(xiàn)逐級(jí)均勻降低的趨勢(shì),葉片正面和背面壓力降低速率變化均勻.2種水頭下轉(zhuǎn)輪葉片出口位置均出現(xiàn)了低壓區(qū),易導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪葉片出口因壓力降低形成氣泡,氣泡被水流帶動(dòng)至高壓區(qū)發(fā)生氣泡潰滅,出現(xiàn)空蝕現(xiàn)象,對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片表面引起材料損壞,增加水力損失和水流泄漏,降低機(jī)組效率和穩(wěn)定性能.高負(fù)荷工況下轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流線呈現(xiàn)均勻分布,流線速度變化穩(wěn)定,轉(zhuǎn)輪內(nèi)速度范圍在不同水頭和不同開度下各不相同,轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口與上冠處流道內(nèi)水流速度較小,下環(huán)面與葉片出口內(nèi)流道水流速度最大.

在同一水頭下,隨著活動(dòng)導(dǎo)葉開度的增加,進(jìn)入轉(zhuǎn)輪的水流流量增加,轉(zhuǎn)輪葉片所受壓力能增加,轉(zhuǎn)輪進(jìn)出口壓力差也隨之增加,高負(fù)荷工況下的轉(zhuǎn)輪葉片對(duì)水流約束能力增強(qiáng),葉片壓力變化梯度明顯.同時(shí),流線紊亂區(qū)域主要發(fā)生在葉片出口與下環(huán)流道內(nèi),紊流區(qū)域隨著開度增加開始減小,這是由于大流量水流使葉片對(duì)水流流線的約束力增強(qiáng),但高負(fù)荷工況下轉(zhuǎn)輪內(nèi)流道下環(huán)出口流線紊亂區(qū)易出現(xiàn)葉道渦現(xiàn)象.文中為減小較大水頭差引起的誤差,同時(shí)對(duì)3種開度在中間水頭(145 m)下進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,中間水頭工況計(jì)算結(jié)果符合該機(jī)組從額定水頭到最高水頭區(qū)間的內(nèi)流場(chǎng)特性變化規(guī)律,在同一開度下,水頭的升高會(huì)增加轉(zhuǎn)輪進(jìn)出口壓力差,轉(zhuǎn)輪葉片表面低壓區(qū)范圍增大,葉片空蝕現(xiàn)象發(fā)生的概率升高,水頭升高也會(huì)提升轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流動(dòng)穩(wěn)定性,提高同一葉高位置水流速度,保證水流不出現(xiàn)回流、渦流和二次流現(xiàn)象,降低機(jī)組水力損失.

3.2 高負(fù)荷工況下的尾水管內(nèi)流場(chǎng)分析

尾水管是混流式水輪機(jī)將完成能量轉(zhuǎn)化后的水流導(dǎo)流至下游的機(jī)械結(jié)構(gòu),同時(shí)尾水管還可以回收部分水流能量,增加轉(zhuǎn)輪整體的水頭能量.圖7,8分別為額定水頭和最高水頭下尾水管內(nèi)部流態(tài)及渦帶發(fā)展情況.

圖7 額定水頭下尾水管渦帶及速度分布

圖8 最高水頭下尾水管渦帶及速度分布

混流式水輪機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉開度不同,尾水管中渦帶呈現(xiàn)不同的形狀和尺寸,渦帶發(fā)展規(guī)律也各不相同.尾水管流速分布直接影響著渦帶的形成和發(fā)展及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律,在高負(fù)荷工況下,尾水管內(nèi)流速分布均勻,轉(zhuǎn)輪泄水錐下端水流速度最高.在徑向方向上,由尾水管斷面中心向管壁,速度逐漸減小,從尾水管進(jìn)口至出口,尾水管內(nèi)速度呈現(xiàn)總體降低的趨勢(shì),不同開度和不同水頭下尾水管壓力變化趨勢(shì)一致.水流軸向速度變化明顯,圓周速度變化較小,轉(zhuǎn)輪出口速度存在切向分量,水流在尾水管流動(dòng)過程產(chǎn)生逆壓梯度,導(dǎo)致尾水管內(nèi)渦帶主要呈現(xiàn)同軸的圓柱形空腔渦帶.尾水管邊壁碎渦帶是由進(jìn)入尾水管直錐段流體環(huán)量與尾水管壁剪切形成,碎渦帶尺寸小,能量大,造成尾水管內(nèi)流場(chǎng)失穩(wěn).導(dǎo)葉開度增加導(dǎo)致尾水管內(nèi)流速分布范圍廣,軸向速度和圓周速度比值變化更大,尾水管空腔渦帶直徑大,渦帶發(fā)展區(qū)域更長(zhǎng).在同一開度下,水頭升高使得尾水管內(nèi)流速升高,空腔渦帶形狀不規(guī)律變化,對(duì)渦帶發(fā)展區(qū)附近的流態(tài)影響更大.

3.3 高負(fù)荷工況下的機(jī)組穩(wěn)定性分析

混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的水力設(shè)計(jì)限制了葉片進(jìn)口角不可調(diào)整的特性,當(dāng)機(jī)組遠(yuǎn)離設(shè)計(jì)工況運(yùn)行時(shí),進(jìn)入轉(zhuǎn)輪的水流速度方向和葉片進(jìn)口角之間都會(huì)形成不同的正負(fù)沖角,偏離度與沖角值呈正相關(guān).高負(fù)荷工況下,進(jìn)口水流與葉片進(jìn)口角通常為負(fù)沖角,導(dǎo)致水流在葉片表面發(fā)生脫流和水擊現(xiàn)象,造成葉片產(chǎn)生很高的真空,形成強(qiáng)烈的次生水沖擊,嚴(yán)重危害了機(jī)組的安全運(yùn)行穩(wěn)定性,高負(fù)荷工況下機(jī)組產(chǎn)生壓力脈動(dòng)同時(shí)會(huì)增大機(jī)組的振動(dòng)、擺度和噪聲.

為了完整分析高負(fù)荷工況下混流式水輪機(jī)穩(wěn)定性能,文中僅分析2種水頭下,導(dǎo)葉開度為94 mm和104 mm的壓力脈動(dòng)計(jì)算數(shù)據(jù),基于傅里葉變換公式,對(duì)壓力脈動(dòng)幅值進(jìn)行實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化,分析水輪機(jī)各過流部件內(nèi)的壓力脈動(dòng)特性.

圖9,10分別為額定水頭和最高水頭下不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)p頻域圖,文中水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)頻為fn(fn=7.143 Hz).由圖可知,在高負(fù)荷工況下,混流式水輪機(jī)壓力脈動(dòng)幅值較大,導(dǎo)葉開度變化會(huì)改變機(jī)組全流道壓力脈動(dòng)振幅,但對(duì)全流場(chǎng)脈動(dòng)規(guī)律影響較小,機(jī)組水頭升高也會(huì)改變?nèi)鲌?chǎng)內(nèi)部流態(tài)穩(wěn)定性,各監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)幅值提高,導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)加劇.從頻譜圖中分析可知,監(jiān)測(cè)點(diǎn)A,B為導(dǎo)葉間無(wú)葉區(qū)和導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪無(wú)葉區(qū)間的壓力脈動(dòng),無(wú)葉區(qū)主頻為fn,次頻為2fn,主要受轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)發(fā)生脈動(dòng)并向上傳播至無(wú)葉區(qū),最高水頭下無(wú)葉區(qū)中主頻為低頻脈動(dòng),這是由于水頭升高使尾水管內(nèi)流態(tài)發(fā)生改變,產(chǎn)生低頻脈動(dòng)向上傳播造成的無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng).監(jiān)測(cè)點(diǎn)C為轉(zhuǎn)輪流道內(nèi)部壓力脈動(dòng),在額定水頭下,壓力脈動(dòng)主頻為24倍葉頻,這是由于活動(dòng)導(dǎo)葉和旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)輪之間發(fā)生了動(dòng)靜干涉,旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)輪葉片對(duì)活動(dòng)導(dǎo)葉尾跡產(chǎn)生切割作用和活動(dòng)導(dǎo)葉流場(chǎng)與轉(zhuǎn)輪流場(chǎng)勢(shì)流相互作用.監(jiān)測(cè)點(diǎn)E,G為尾水管直錐段和彎肘段壓力脈動(dòng),尾水管內(nèi)部壓力脈動(dòng)主頻為低頻脈動(dòng),開度增加改變了轉(zhuǎn)輪進(jìn)出口速度三角形,水流在葉片表面發(fā)生脫流和撞擊現(xiàn)象,轉(zhuǎn)輪出口的水流流態(tài)不穩(wěn)定,產(chǎn)生許多細(xì)小渦帶,使尾水管壓力脈動(dòng)幅值大幅提升,最高脈動(dòng)幅值達(dá)到19.8 kPa,尾水管內(nèi)部次頻為幅值相近的低頻幅值,水輪機(jī)全流場(chǎng)流量增加使尾水管內(nèi)部水流軸向速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過水流圓周速度,減少了導(dǎo)葉葉頻、轉(zhuǎn)頻和動(dòng)靜干涉頻率對(duì)尾水管內(nèi)部流態(tài)的影響.綜上所述,水頭升高影響了水輪機(jī)內(nèi)流場(chǎng)穩(wěn)定流態(tài),并造成相同開度下的水輪機(jī)壓力脈動(dòng)振幅升高,無(wú)葉區(qū)內(nèi)產(chǎn)生低頻脈動(dòng);開度增大也提升了水輪機(jī)無(wú)葉區(qū)脈動(dòng)振幅,尾水管內(nèi)的低頻脈動(dòng)向上傳遞至轉(zhuǎn)輪內(nèi)部和無(wú)葉區(qū),導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)加劇,影響機(jī)組的穩(wěn)定安全運(yùn)行.

圖9 額定水頭下監(jiān)測(cè)點(diǎn)頻譜圖

圖10 最高水頭下監(jiān)測(cè)點(diǎn)頻譜圖

4 結(jié) 論

1) 水光蓄互補(bǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中水電機(jī)組啟停、出力變化頻繁,過渡過程機(jī)組穩(wěn)定性是滿足發(fā)電系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要保障.高負(fù)荷工況下中比轉(zhuǎn)數(shù)混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片出口出現(xiàn)低壓區(qū),葉片易出現(xiàn)空蝕現(xiàn)象,2種水頭下轉(zhuǎn)輪內(nèi)部均出現(xiàn)了流線紊亂區(qū),易出現(xiàn)葉道渦現(xiàn)象,增大開度使轉(zhuǎn)輪葉片對(duì)水流的約束能力增強(qiáng),保證轉(zhuǎn)輪內(nèi)流態(tài)更穩(wěn)定.高負(fù)荷工況下尾水管水流在流動(dòng)過程產(chǎn)生逆壓梯度,內(nèi)部均出現(xiàn)了不同大小的圓柱形空腔渦帶,提高水頭使渦帶直徑和發(fā)展區(qū)域增大,尾水管進(jìn)口邊壁處出現(xiàn)數(shù)量眾多的碎渦帶,造成尾水管內(nèi)流場(chǎng)失穩(wěn).

2) 高負(fù)荷工況下轉(zhuǎn)輪進(jìn)口水流方向與葉片進(jìn)口角形成負(fù)沖角,造成葉片表面出現(xiàn)脫流和撞擊現(xiàn)象,增大了機(jī)組水力損失.機(jī)組在高負(fù)荷工況下壓力脈動(dòng)幅值較大,無(wú)葉區(qū)、轉(zhuǎn)輪內(nèi)部和尾水管主頻分別為轉(zhuǎn)頻、葉頻和低頻脈動(dòng).增大水頭和開度提高了無(wú)葉區(qū)的壓力脈動(dòng)振幅,尾水管內(nèi)低頻脈動(dòng)逆向傳播,導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)加劇,影響機(jī)組的穩(wěn)定安全運(yùn)行.