混流式水輪機尾水管渦帶及其改善措施研究

管郵現

雅礱江流域水電開發有限公司

1 引言

尾水管的動態穩定性是評估性能和能源性能的第一個重要標準。因此，分析部分負荷條件下的推力氣流特性和渦旋形成機理非常重要。在過去的幾年中，國內外許多專家對混流式水輪機的流動特性進行了大量研究，并找到了增加或降低風管壓力的方法。下面本文從混流式水輪機尾水管渦帶計算模型與數值方法、混流式水輪機尾水管渦帶改善措施、混流式水輪機尾水管渦帶計算結果與分析以及混流式水輪機尾水管渦帶數值模擬結果分析等方面對本課題進行分析。

2 混流式水輪機尾水管渦帶計算模型與數值方法

2.1 混流式水輪機尾水管渦帶幾何模型與網格劃分

設計模型是某水電站的高水頭混流式水輪機。熔體入口相應地擴大，以確保湍流的充分發展并使它更接近電流流場的邊界條件，渦輪的幾何參數如下。

轉輪標稱直徑：

轉輪葉片數：

導葉數：

轉速：

額定水頭：

額定出力：

轉頻：

葉頻：

當混流式水輪機在輕負載下運行時，側風會產生偏心軌道渦旋并產生壓力頻率脈沖。因此，本文對0.5Q 部分負荷工況下尾水管壓力脈動進行分析，工況參數為以下數據。

導葉開度：

流量：

轉速：

考慮到水輪機設計的復雜性，選擇了一個靈活的，不規則的四面體網格，并在局部流體梯度完全改變的區域對網格進行了改進。為了測試網絡是否有效共享并滿足計算機的確切要求，我們從七組中創建了全通道渦輪模型，并選擇了不同的網格尺寸。分別比較靜態計算的性能特征。隨著網絡的增加，當網絡數量增加到400萬時，效率的值實際上不會改變并達到指定值。這表明當前對網絡的增長進行了適當的計算并且影響很小。為了確保計算結果的可靠性，應盡可能減少網絡數量，以減少計算時間。計算確定該通道整個計算機域中的網格單元數最終為4468890。

2.2 混流式水輪機尾水管渦帶數值計算方法

為了更好地可視化水輪機渦帶數值，以使用它來計算和分析總非晶流體以及基于雷諾平均值的Navier stokes 方程。選擇了RNGk湍流模型作為湍流方程的封閉模型，以對水輪機井中的分離和渦流建模，因為RNGk湍流模型可以很好地考慮到壁面上的大尺度分離。在計算之前，設置邊界條件，并指定質量流量的壓力邊界條件，入口條件以及零件入口和出口壓力。在轉輪和倒液活動的情況下，它在可尾流管之間提供動態和靜態的連接界面。

在模擬不穩定的常數值之前，請模擬一個常數常量并將靜態計算的結果用作初始常數值。通過計算不確定性常數的值，將組合的動態和固定接口置于臨時轉輪凍結模式。對于每3°的轉輪轉彎，一次是一個步驟，一次是0.001，將每個步驟的剩余時間都設置為10-4。計算4 圈的時間，因此計算結果保持不變。所以，水輪機在前四個循環中具有恒定的流場，相應地計算接下來的7 個周期。選擇以分析最近7 個周期的仿真數據。通過分析設計的脈沖壓力，描述各種操作條件下設計內部領域的脈沖規則[1]。

3 混流式水輪機尾水管渦帶改善措施

3.1 混流式水輪機尾水管渦帶壓力脈動改善原理

大量研究表明，混流式水輪機尾水管渦輪壓力脈動的改善可防止投射管偏離并在投射管中產生低壓脈動。脈沖頻率只是低速的一小部分。但是，它會影響設備的安全可靠運行，從而導致脈沖振動和輸出振動。由于偏心渦流的初始位置位于尾流管出口，因此在尾流管出口處需要具有合適的液壓系統，讓出口顆粒在渦流真空管內起作用，以防止形成單個旋轉渦流核。這可以通過某種方式進行改進由于旋轉和壓力引起的波紋。

3.2 混流式水輪機尾水管渦帶改善壓力脈動方案

脈動調節主要通過降低齒輪比和降低連續運行期間的渦旋速度來執行。在本文中，我們主要分析這三種方法對尾水管的低頻和低脈沖頻率的影響。選項1用于Purcon擴展，平面2的軸向出口旨在干擾水流。方案3由加長泄水錐的流量和軸的延長數倍組成，用于水的軸向流動的入口的方法在于改變泄水錐的出口通道的一部分，從溶質中提取水。水流通過上殼體和主軸法蘭進入泄水錐的出口，最后進入軸的為水管。這干擾了為水管的渦流場。非均勻3D 常量（例如上述仿真方法）使用總通道電流來計算這三種方法，并分析不同吃水改進計劃的壓力脈動影響。

4 混流式水輪機尾水管渦帶計算結果與分析

4.1 原型水輪機計算結果分析

由于脈沖振動，由渦帶產生的壓力是水輪機振動重要的因素。在圖1示出了在部分負載條件下的混流水輪機的設計和排放測試期間觀察到的渦帶結構。由該圖可知，當前的渦旋渦旋位于泄水錐的右側，與水輪機的旋轉中心不同，渦帶的中心與手柄的旋轉方向重合。這時，水導管的主脈沖頻率為2.05 Hz，是低電壓脈沖速度的四分之一。

圖1 水輪機模型試驗觀測與計算尾水管渦帶

為了檢查本文檔中許多計算結果的有效性，將測試模型數據與計算結果進行比較。圖2顯示了從模型測試和數值模擬獲得的脈沖壓力。從該圖可以看出，基本脈沖頻率的數值模擬結果與模型測試的結果吻合良好。

圖2 試驗和模擬結果對比

4.2 混流式水輪機尾水管渦帶壓力脈動幅值與頻譜分析

為了更系統地研究尾水管中的壓力波動，在每種方法中，取決于尾水管中的壓力控制點，在將壓力施加到尾水管之前，執行快速傅里葉變換以指示變化。各監測點壓力脈動幅值和頻率對比如下：原型水輪機監測點A：主頻2.05Hz、幅值10996Pa，監測點D：主頻2.05Hz、幅值24167Pa；方案1 監測點A：主頻2.05Hz、幅值9507Pa，監測點D：主頻2.05Hz、幅值23608Pa；方案2監測點A：主頻2.37Hz、幅值9453Pa，監 測點D：主頻3.37Hz、幅值21253Pa；方案3監測點A：主頻2.5Hz、幅值5460Pa，監測點D：主頻2.5Hz、幅值16320Pa。該對比顯示每種方法的主脈沖頻率與水輪機原型的主脈沖頻率不同，并且每種方法的脈沖均為低頻。同一步驟中不同控制點的脈沖壓力基本頻率相同。同時，可以看出，三個改進措施可以有效地減少重復壓力。另一方面，選項3的糾正效果最好。

方案1中，在尾水管的直椎管段部分中的壓力控制脈沖B的幅度顯著減小，但是在傾斜部分n′中的控制點C 處的壓力脈動的幅度沒有顯著減小。這意味著加長泄水錐可以減小尾水管中直椎管處的渦帶，并且難以對尾水管的彎曲部分的渦流帶進行制動效果。圖2顯示，在B監測中壓力脈動的減少小于在C監測中包含脈動的減少，中斷水力作用對腕肘的壓力具有更好地抑制作用。根據以上分析，可以認為方案3的校準步驟對于減輕渦流最有效。結果表明，根據水輪機的當前狀態，通過選擇加長泄水錐和水力干預的方法，可以比當前增加對流長度的方法或僅使用水力干預的方法更為有效。

4.3 混流式水輪機尾水管渦帶各方案效率分析

分析這三個改進措施對混輪式水輪機效率的影響，分別計算了原型水輪機和改裝水輪機的效率。經計算，水輪機的效率可以保持不變，達到92.5%，在圖1 中，水輪機的效率為4.43%，在圖2 中為90.74%。相比之下，水輪機的效率最低。這可能是由于流速增加了對尾水管向溶質的噴射所需要的水力干預。由于液體不通過葉輪，因此水輪機效率降低。

5 混流式水輪機尾水管渦帶數值模擬結果分析

對長葉片混流式水輪機上的水輪機進行了數值模擬分析，同時對真空錐，軸向水力張緊和較長的真空晶粒以及軸向水力擾動進行了研究。

（1）在部分負荷下，由于弱電流，推力將在轉子外部沿相同方向形成一個環，并且水流過偏心軌道渦旋的中心，偏心路徑衰減是由于低頻脈沖。

（2）擴大尾水管的直錐管段部分和彎曲部分中的壓力流量對壓力脈動幅值有很大的影響，可以有效地減少彎管段中的偏心壓力間隙。這對壓力波動的幅度影響很小。渦流沿著泄水錐出口的長度引入下流區域。加長泄水錘措施可以通過減小拉伸過程中的渦旋力來提高裝置的穩定性。

（3）三種改善措施均會降低水輪機的效率。持續的泄水椎排放和水力干擾的結合是主要影響水輪機的性能的因素。這比原型水輪機少2.21%。

（4）排水和水力干預的長期結合會影響設備的效率，因此需要做出正確的選擇才能有效地使用它的干擾流速和長度[2]。

6 結束語

混流式水輪機發電機組通過飲水是盡量地將管道中的水均勻地分配到轉輪前導水機構，并利用導液來控制水流量，當水流過斜槽且能量轉換完成時，水將流入斜槽側面的尾水管。流向混流式水輪機葉輪出口的水量減少，葉輪入口與出口之間的能隙增加，這增加了使用的總能量。尾水管是水輪機不可或缺的一部分，其性能和耐用性直接影響混流式水輪機的高效和可靠運行。