水泵水輪機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉水力矩的相關(guān)研究

張 彬，李浩亮

（東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川 德陽(yáng)618000）

1 前言

水泵水輪機(jī)中接力器通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)活動(dòng)導(dǎo)葉，活動(dòng)導(dǎo)葉水力矩作為水泵水輪機(jī)原型設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)，直接影響相關(guān)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)和接力器的設(shè)計(jì)。活動(dòng)導(dǎo)葉水力矩一般通過(guò)模型水泵水輪機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果，按照相似定律換算得出。由于試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹圃旒庸ち鞒虖?fù)雜，測(cè)量?jī)x器安裝布置易產(chǎn)生誤差等因素，活動(dòng)導(dǎo)葉水力矩測(cè)試是一個(gè)繁瑣的試驗(yàn)項(xiàng)目，測(cè)試精度也有待提高[1]。

本文采用CFD數(shù)值模擬技術(shù)，以某水泵水輪機(jī)為例，分析不同導(dǎo)葉開度和流量對(duì)活動(dòng)導(dǎo)葉水力矩的影響，通過(guò)仿真計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)試的比較，明確數(shù)值模擬技術(shù)的方法，為水泵水輪機(jī)相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供可靠數(shù)據(jù)支撐。

2 導(dǎo)葉水力矩的測(cè)試

模型水泵水輪機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉水力矩的測(cè)試一般基于應(yīng)變片電橋法，采用式（1）將活動(dòng)導(dǎo)葉水力矩轉(zhuǎn)換為水力矩因數(shù)

式中：TG為單個(gè)活動(dòng)導(dǎo)葉的水力矩，ρ為流體密度，g為重力加速度，Hn為機(jī)組水頭，Hdist為活動(dòng)導(dǎo)葉分布圓處流道高度，D為活動(dòng)導(dǎo)葉分布圓直徑，N為活動(dòng)導(dǎo)葉個(gè)數(shù)。一般定義指向?qū)~關(guān)閉方向的水力矩為“+”，指向?qū)~開啟方向的水力矩為“-”。

某抽水蓄能機(jī)組固定導(dǎo)葉個(gè)數(shù)和活動(dòng)導(dǎo)葉個(gè)數(shù)均為16，實(shí)際中只選取個(gè)別活動(dòng)導(dǎo)葉進(jìn)行水力矩的測(cè)量，本次試驗(yàn)選取編號(hào)為1號(hào)，2號(hào)，5號(hào)，9號(hào)，13號(hào)和16號(hào)的活動(dòng)導(dǎo)葉進(jìn)行水力矩的試驗(yàn)。

活動(dòng)導(dǎo)葉水力矩試驗(yàn)中，水輪機(jī)工況保持單位轉(zhuǎn)速基本恒定，導(dǎo)葉開度共19組從0.8°變化到17.5°，泵工況中保持壓力系數(shù)基本恒定，導(dǎo)葉開度共18組從0.5°變化到14.4°，調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度即可調(diào)節(jié)試驗(yàn)工況點(diǎn)，試驗(yàn)工況點(diǎn)與計(jì)算工況點(diǎn)一致。試驗(yàn)中忽略了裝配軸承摩擦力矩的影響，相關(guān)研究表明，該影響較小[2]。

3 導(dǎo)葉水力矩的CFD分析

活動(dòng)導(dǎo)葉的開度和形狀會(huì)影響繞流水流的流速、流態(tài)和壓力分布，從而決定活動(dòng)導(dǎo)葉的水力矩特性。活動(dòng)導(dǎo)葉的繞流為三維流動(dòng)問(wèn)題，情況復(fù)雜，隨著CFD技術(shù)，即計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的發(fā)展，可以通過(guò)有限元仿真技術(shù)對(duì)復(fù)雜的流體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行研究。

本文使用軟件STAR-CCM+對(duì)活動(dòng)導(dǎo)葉水力矩進(jìn)行CFD分析，STAR-CCM+是一款優(yōu)秀的通用型CFD軟件，網(wǎng)格劃分是有限元分析中最耗時(shí)而又對(duì)結(jié)果影響最大的一個(gè)環(huán)節(jié)，STAR-CCM+中的多面體網(wǎng)格技術(shù)非常先進(jìn)成熟，多面體網(wǎng)格具有六面體網(wǎng)格的精準(zhǔn)度和四面體網(wǎng)格的易生成性，多面體網(wǎng)格還具有比四面體網(wǎng)格更好的收斂性和更小的網(wǎng)格依賴性，大大降低用戶的硬件資源需求和計(jì)算時(shí)間。

除此之外它還內(nèi)置了1套性能極為優(yōu)秀的嵌套網(wǎng)格挖洞算法，能夠生成極為復(fù)雜的嵌套網(wǎng)格。

3.1 計(jì)算準(zhǔn)備

水泵水輪機(jī)的水輪機(jī)工況和泵工況中活動(dòng)導(dǎo)葉繞流水流的來(lái)流和去流方向相反，來(lái)流條件和去流條件也會(huì)影響CFD分析的計(jì)算結(jié)果，所以計(jì)算流道模型中除活動(dòng)導(dǎo)葉外還加入了固定導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪[3]，從而能夠精準(zhǔn)的分析活動(dòng)導(dǎo)葉水力矩。

CFD分析的有限元模型均為多面體網(wǎng)格，邊界層做棱柱加密，進(jìn)口條件為質(zhì)量流量進(jìn)口，出口條件為質(zhì)量流量出口，轉(zhuǎn)輪水體為機(jī)組額定轉(zhuǎn)度，雙列葉柵固壁面為無(wú)滑移固壁邊界條件，轉(zhuǎn)輪固壁面為旋轉(zhuǎn)固壁邊界條件。

3.2 活動(dòng)導(dǎo)葉區(qū)域流場(chǎng)分析

通過(guò)CFD分析可以得到活動(dòng)導(dǎo)葉區(qū)域流場(chǎng)流態(tài)，再對(duì)活動(dòng)導(dǎo)葉水力矩和壓力檢測(cè)值分析，水輪機(jī)工況下的最優(yōu)開度為 17.5°，、選取 1°、7°、13.5°和17.5°下的流場(chǎng)進(jìn)行分析。4個(gè)開度下的流速流線示意如圖1～圖4所示。從圖中可以看出，隨著活動(dòng)導(dǎo)葉開度的增加，流道內(nèi)流態(tài)逐漸平穩(wěn)，漩渦流動(dòng)和湍流流動(dòng)逐漸減小。根據(jù)伯努利方程可以看出，活動(dòng)導(dǎo)葉正背面的流態(tài)和流速會(huì)影響壓力分布，最終導(dǎo)致不同開度下活動(dòng)導(dǎo)葉水力矩的變化。

圖1 導(dǎo)葉開度1°流線分布

圖2 導(dǎo)葉開度7°流線分布

圖3 導(dǎo)葉開度13.5°流線分布

圖4 導(dǎo)葉開度17.5°流線分布

3.3 水力矩結(jié)果的比較分析

計(jì)算結(jié)果為水輪機(jī)工況下，原型水頭755.9 m，對(duì)應(yīng)水輪機(jī)模型單位轉(zhuǎn)速為36.63 r/min，根據(jù)雙列葉柵與轉(zhuǎn)輪聯(lián)合計(jì)算CFD分析模型的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，可以確定活動(dòng)導(dǎo)葉水力矩。

根據(jù)該機(jī)組活動(dòng)導(dǎo)葉水力矩測(cè)試結(jié)果和計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)，繪制出原型機(jī)最大水頭755.9 m下的導(dǎo)葉開度和流量關(guān)系曲線，如圖5所示，水力矩測(cè)試結(jié)果和CFD計(jì)算結(jié)果的比較曲線，如圖6所示。

計(jì)算結(jié)果為水泵工況下，原型水頭702.21 m，對(duì)應(yīng)水泵水輪機(jī)模型壓力系數(shù)為4.950，根據(jù)雙列葉柵與轉(zhuǎn)輪聯(lián)合計(jì)算CFD分析模型的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，可以確定活動(dòng)導(dǎo)葉水力矩。

圖5 水輪機(jī)工況導(dǎo)葉開度與流量關(guān)系圖

圖6 水輪機(jī)工況導(dǎo)葉開度與活動(dòng)導(dǎo)葉水力矩關(guān)系圖

根據(jù)該機(jī)組活動(dòng)導(dǎo)葉水力矩測(cè)試結(jié)果和計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)，繪制出原型機(jī)最大水頭702.21 m下的導(dǎo)葉開度和流量關(guān)系曲線，如圖7所示，水力矩測(cè)試結(jié)果和CFD計(jì)算結(jié)果的比較曲線，如圖8所示。

圖7 水泵工況導(dǎo)葉開度與流量關(guān)系圖

圖8 水泵工況導(dǎo)葉開度與活動(dòng)導(dǎo)葉水力矩關(guān)系圖

該機(jī)組水輪機(jī)工況和水泵工況下，活動(dòng)導(dǎo)葉水力矩的測(cè)試結(jié)果和計(jì)算結(jié)果有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，水力矩的CFD計(jì)算結(jié)果接近測(cè)試結(jié)果的平均值。水輪機(jī)工況下，13號(hào)和2號(hào)活動(dòng)導(dǎo)葉的測(cè)試結(jié)果偏大，1號(hào)活動(dòng)導(dǎo)葉的測(cè)試結(jié)果偏小；泵工況下，16號(hào)活動(dòng)導(dǎo)葉的測(cè)試結(jié)果偏大，1號(hào)活動(dòng)導(dǎo)葉的測(cè)試結(jié)果偏小。這可能是受到蝸殼結(jié)構(gòu)的影響，或者是流態(tài)的不穩(wěn)定，測(cè)試結(jié)果離散性的影響。計(jì)算結(jié)果與測(cè)試結(jié)果差異不大，在正常分布范圍之內(nèi)。

4 活動(dòng)導(dǎo)葉水力矩對(duì)接力器設(shè)計(jì)的影響

目前國(guó)內(nèi)水泵水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)接力器一般采用直缸接力器，接力器通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)活動(dòng)導(dǎo)葉，其壓力油是從主配壓閥經(jīng)管路流進(jìn)接力器的，接力器的油壓一般為4.0 MPa和6.3 MPa兩種[4]。

接力器初選后，根據(jù)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)布置和活動(dòng)導(dǎo)葉力的特性，詳細(xì)計(jì)算各種運(yùn)行工況下開啟或關(guān)閉導(dǎo)葉時(shí)所需的接力器油壓，校核接力器選型的正確性。活動(dòng)導(dǎo)葉開啟或關(guān)閉情況下主要受到活動(dòng)導(dǎo)葉水力矩和摩擦力矩的共同作用[5]。摩擦力矩可以根據(jù)活動(dòng)導(dǎo)葉各個(gè)軸頸位置的支反力求得，再結(jié)合上文中所示的活動(dòng)導(dǎo)葉水力矩，可以較為準(zhǔn)確的求得活動(dòng)導(dǎo)葉力的特性。

初步設(shè)計(jì)的接力器活塞缸內(nèi)徑為680 mm，活塞桿直徑為230 mm，接力器操作油壓的計(jì)算結(jié)果如表1。

表1 接力器操作油壓計(jì)算結(jié)果

考慮到事故工況下，操作油壓壓力會(huì)降低的情況，接力器操作油壓可選擇4.0 MPa，這時(shí)必須適當(dāng)增加接力器活塞缸的內(nèi)徑，或者接力器操作油壓可選擇6.3 MPa，這時(shí)適當(dāng)減小接力器活塞缸的內(nèi)徑。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某水泵水輪機(jī)機(jī)組的活動(dòng)導(dǎo)葉水力矩測(cè)試結(jié)果和CFD計(jì)算分析結(jié)果的比較，以及分析活動(dòng)導(dǎo)葉水力矩對(duì)接力器設(shè)計(jì)的影響，可以得出以下結(jié)論：

（1）CFD仿真計(jì)算的活動(dòng)導(dǎo)葉水力矩結(jié)果與模型試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果比較吻合，計(jì)算結(jié)果與測(cè)試結(jié)果的平均值接近，仿真計(jì)算可以作為一種獲取導(dǎo)葉水力矩的可靠方法，計(jì)算結(jié)果在水泵水輪機(jī)原型安全裕度下適當(dāng)修正。

（2）受活動(dòng)導(dǎo)葉開度，機(jī)組水頭和流量的影響，活動(dòng)導(dǎo)葉正背面壓力分布會(huì)有所差異，造成不同開度，不同水頭，不同流量下活動(dòng)導(dǎo)葉水力矩的差異。

（3）活動(dòng)導(dǎo)葉水力矩對(duì)接力器的精確設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)作用，較傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)能夠有效節(jié)省結(jié)構(gòu)空間，或適當(dāng)降低設(shè)計(jì)油壓。