某混流式水輪機(jī)超出力運(yùn)行可行性分析

康永剛，況勛圖，嚴(yán)利軍，劉 陽(yáng)，盧進(jìn)玉

(1. 華電四川發(fā)電有限公司寶珠寺水力發(fā)電廠，四川 廣元 628000；2. 華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州 310012)

水輪發(fā)電機(jī)組超出力運(yùn)行是在水電運(yùn)行實(shí)踐中為普遍存在的一種現(xiàn)象，特別是中小型機(jī)組，短期超出力運(yùn)行也時(shí)有發(fā)生。青溪水電站開(kāi)展了機(jī)組超出力運(yùn)行穩(wěn)定性及發(fā)電機(jī)溫升試驗(yàn)研究，分析了水電站超出力的可行性，實(shí)現(xiàn)了增加發(fā)電量和調(diào)峰容量目標(biāo)[1]。五強(qiáng)溪電站實(shí)際運(yùn)行中水資源利用率較低，而設(shè)備設(shè)計(jì)有超發(fā)的潛力，綜合各方面的因素，在不進(jìn)行設(shè)備改造的情況下，分析了機(jī)組超額定出力運(yùn)行可行性[2]。清江高壩洲電廠在不更換水輪機(jī)主設(shè)備條件下,按單機(jī)能夠達(dá)到的最大容量超出力運(yùn)行調(diào)節(jié)保證計(jì)算,論證了機(jī)組超出力運(yùn)行的安全可靠性[3]。耿清華[4]從增大過(guò)流量、提高工作水頭等角度分析水輪機(jī)增容的可行性。綜上所述，目前主要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法進(jìn)行水輪機(jī)超出力運(yùn)行測(cè)試，確定機(jī)組超出力能力，但對(duì)水輪機(jī)超額定負(fù)荷運(yùn)行的理論論證工作較少，也沒(méi)有形成統(tǒng)一的系統(tǒng)性研究方法。

本文利用ANSYS平臺(tái)對(duì)某混流式水輪機(jī)(單機(jī)40萬(wàn)kW)不同水頭下超出力運(yùn)行工況的流場(chǎng)及結(jié)構(gòu)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，分析超出力工況尾水管壓力脈動(dòng)，并計(jì)算超出力工況轉(zhuǎn)輪葉片靜應(yīng)力，結(jié)合相關(guān)理論分析水輪機(jī)超出力運(yùn)行可行性。

1 研究方法

混流式水輪機(jī)超出力運(yùn)行時(shí)的能量、脈動(dòng)特性主要通過(guò)CFX軟件計(jì)算全流道非定常工況得到。轉(zhuǎn)輪葉片應(yīng)力通過(guò)流固耦合的方法將水壓力加載到葉片表面，并借助Workbench平臺(tái)進(jìn)行應(yīng)力分析。計(jì)算所涉及的理論如下：

1.1 流體域計(jì)算

水輪機(jī)內(nèi)流體滿(mǎn)足連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒方程：

連續(xù)性方程：

?vi/?xi=0

(1)

動(dòng)量守恒方程：

(2)

式中：V為流體速度矢量；vi為V在i方向分量；ρ為流體密度；P為流體壓強(qiáng)；μ為湍流強(qiáng)度；g為質(zhì)量力；為哈密頓算子。采用RNGκ-ω模型對(duì)方程進(jìn)行封閉。

1.2 流固耦合方式

實(shí)際運(yùn)行工況中，水輪機(jī)上冠、下環(huán)及葉片形變量很小，變形量對(duì)流場(chǎng)的影響微乎其微，可采用單向流固耦合的方法計(jì)算[5]。

1.3 結(jié)構(gòu)場(chǎng)計(jì)算

計(jì)算轉(zhuǎn)輪靜應(yīng)力時(shí)，由于轉(zhuǎn)輪屬于線性結(jié)構(gòu)，故各節(jié)點(diǎn)所受應(yīng)力可直接由von Mises應(yīng)力公式得出：

(3)

2 水輪機(jī)流場(chǎng)分析

2.1 模型簡(jiǎn)化

某混流式水輪機(jī)，型號(hào)為HLF218a0-LJ-775，額定水頭77 m，額定流量569.37 m3/s，額定轉(zhuǎn)速88.2 r/min，活動(dòng)導(dǎo)葉24個(gè)。利用UG10.0建立全流道三維模型，計(jì)算域取事故閘門(mén)下端面(轉(zhuǎn)輪中心線上游22.65 m位置)至尾水閘門(mén)上端面(轉(zhuǎn)輪中心線上游35.0 m處)之間過(guò)流斷面。計(jì)算工況選擇3個(gè)水頭、5個(gè)工況進(jìn)行分析，詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1。為了在數(shù)值計(jì)算盡量減少誤差，利用六面體網(wǎng)格對(duì)過(guò)流部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，經(jīng)過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，以效率相對(duì)差值為標(biāo)準(zhǔn)，確定網(wǎng)格總數(shù)為900萬(wàn)，其中轉(zhuǎn)輪部分為651萬(wàn)。計(jì)算域及網(wǎng)格模型見(jiàn)圖1。

表1 內(nèi)部流動(dòng)分析及計(jì)算工況

圖1 流場(chǎng)計(jì)算網(wǎng)格及計(jì)算域

2.2 定常流場(chǎng)分析

2.2.1 邊界條件

利用CFX進(jìn)行流場(chǎng)模擬，進(jìn)口設(shè)為壓力進(jìn)口，以蝸殼進(jìn)口全壓及其速度方向?yàn)槿肟跅l件，出口邊界為尾水管出口斷面，指定流量為邊界條件；壁面采用近壁函數(shù)法對(duì)湍流流動(dòng)近壁處理；湍流模型采用RNGκ-ω模型，最大殘差小于0.000 1做為計(jì)算收斂條件，空間離散采用二階精度；旋轉(zhuǎn)域外壁及流固耦合交界面采用旋轉(zhuǎn)壁面，給定旋轉(zhuǎn)軸和旋轉(zhuǎn)速度。

2.2.2 結(jié)果分析

仿真計(jì)算結(jié)果表明，5種工況蝸殼、固定導(dǎo)葉及活動(dòng)導(dǎo)葉流場(chǎng)分布相似。蝸殼內(nèi)部流線光順，沿周向出流均勻，流速沿徑向基本不變。5種工況下，水流從蝸殼出口至固定導(dǎo)葉進(jìn)口基本無(wú)撞擊，雙列葉柵通道內(nèi)均無(wú)脫流，固定導(dǎo)葉出口角和活動(dòng)導(dǎo)葉進(jìn)口角配合較好，活動(dòng)導(dǎo)葉內(nèi)部流動(dòng)順滑，活動(dòng)導(dǎo)葉出流均勻。

圖2為工況4(88 m水頭110%Pr)轉(zhuǎn)輪區(qū)域壓力云圖。仿真結(jié)果表明，壓力沿葉片進(jìn)口至出口方向逐漸降低，無(wú)渦流、二次流現(xiàn)象，說(shuō)明能量被機(jī)組逐步利用。計(jì)算結(jié)果顯示3個(gè)水頭段額定工況和超發(fā)10%工況，轉(zhuǎn)輪內(nèi)部壓力分布均勻，流動(dòng)損失小，水輪機(jī)效率較高。

圖2 轉(zhuǎn)輪壓力分布

2.3 壓力脈動(dòng)計(jì)算分析

2.3.1 壓力脈動(dòng)定義及監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布

利用非定常理論，監(jiān)測(cè)水輪機(jī)某些部位水壓力隨時(shí)間的變化，分析壓力脈動(dòng)的時(shí)域信息，通過(guò)FFT變換可得到該位置壓力脈動(dòng)的頻率等信息。壓力脈動(dòng)量ΔH/H的定義如下：

(4)

計(jì)算時(shí)旋轉(zhuǎn)部件與固定部件交界面設(shè)置為T(mén)ransient Rotor Stator滑移界面，本計(jì)算中的時(shí)間步長(zhǎng)取為轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)周期的1/36，約為0.018 894 6 s。非定常計(jì)算中，在水輪機(jī)蝸殼進(jìn)口、固定導(dǎo)葉前、活動(dòng)導(dǎo)葉前和活動(dòng)導(dǎo)葉出口總共布置了四個(gè)壓力脈動(dòng)監(jiān)控點(diǎn)，同時(shí)在尾水管錐管段，錐管出口段截取兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，標(biāo)記4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖3所示。

圖3 壓力脈動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)

2.3.2 結(jié)果分析

圖4為1、2、4工況尾水管錐管段壓力脈動(dòng)時(shí)頻域圖。表2為3個(gè)工況主要位置特征值。根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，額定水頭額定出力出力工況，引、導(dǎo)水部件壓力脈動(dòng)峰峰值較小，尾水管壓力脈動(dòng)峰峰值約為10.09%，壓力脈動(dòng)主頻為0.41 Hz，約為轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)頻的0.28倍，屬低頻壓力脈動(dòng)。82 m水頭110%出力工況下，引、導(dǎo)水部件內(nèi)壓力脈動(dòng)峰峰值較小，尾水管錐管出口位置壓力脈動(dòng)最大，達(dá)到10.84%，壓力脈動(dòng)主頻為0.36 Hz，屬低頻壓力脈動(dòng)。88 m水頭110%出力工況，引、導(dǎo)水部件內(nèi)壓力脈動(dòng)峰峰值較小，壓力脈動(dòng)峰最大峰值均出現(xiàn)在尾水管錐管出口位置，達(dá)到8.55%，壓力脈動(dòng)主頻仍為0.36 Hz。

表2 各工況主要部位壓力脈動(dòng)特征值

圖4 各工況尾水管錐管段壓力脈動(dòng)時(shí)域、頻域

綜上所述，在額定工況和高水頭超10%出力工況下，蝸殼至導(dǎo)葉前的測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)振幅均較小，導(dǎo)葉后轉(zhuǎn)輪前測(cè)點(diǎn)壓力由于受到動(dòng)靜干涉的影響，其脈動(dòng)振幅有一定的增加。與蝸殼和導(dǎo)葉內(nèi)部壓力脈動(dòng)峰峰值相比，尾水管內(nèi)的壓力脈動(dòng)峰峰值較大，且均為低頻的壓力脈動(dòng)。以上計(jì)算結(jié)果表明機(jī)組在超出力運(yùn)行工況，水輪機(jī)主要部件壓力脈動(dòng)均滿(mǎn)足機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行要求。

3 轉(zhuǎn)輪靜應(yīng)力分析

3.1 模型及邊界條件

利用ANSYS軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)輪靜應(yīng)力計(jì)算，計(jì)算對(duì)象為轉(zhuǎn)輪單個(gè)葉片，模型及網(wǎng)格見(jiàn)圖5。葉片上冠及下環(huán)連接處采用全約束，計(jì)算時(shí)施加離心力和重力。葉片所受外部載荷為水壓力，水壓力由各工況定常計(jì)算求解，并抽取葉片表面水壓力，加載至葉片實(shí)體。

圖5 有限元模型

3.2 結(jié)果分析

利用workbench對(duì)額定工況(工況1)、82 m水頭110%出力(工況2)、88 m水頭110%出力(工況4)3個(gè)工況進(jìn)行葉片結(jié)構(gòu)靜應(yīng)力分析得到轉(zhuǎn)輪葉片在該三個(gè)工況葉片等效應(yīng)力和位移云圖(略)和最大位移量和最大等效靜應(yīng)力見(jiàn)表3。根據(jù)計(jì)算可知，轉(zhuǎn)輪葉片應(yīng)力主要集中位置為葉片出口邊與上冠、下環(huán)連接處，葉片進(jìn)口邊與出口邊相比較厚，應(yīng)力集中度較低，葉片最大等效靜應(yīng)力較大，這是由于在滿(mǎn)負(fù)荷及超出力工況，水輪機(jī)導(dǎo)葉開(kāi)度大，過(guò)流量較大，葉片受到較大的水流沖擊力。最大等效應(yīng)力所在位置一般為典型的應(yīng)力集中部位，三種工況下，除應(yīng)力集中位置外其他位置葉片的應(yīng)力都低于110 MPa，且三種工況下最大等效應(yīng)力均小于合同保證值。根據(jù)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，機(jī)組在82 m水頭附近運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)輪葉片所受靜應(yīng)力相對(duì)較低，水輪機(jī)有較高的運(yùn)行效率和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

表3 轉(zhuǎn)輪葉片最大位移和最大等效應(yīng)力

4 結(jié) 語(yǔ)

利用ANSYS軟件對(duì)某混流式水輪機(jī)不同水頭超出力運(yùn)行進(jìn)行流場(chǎng)及結(jié)構(gòu)場(chǎng)分析，并通過(guò)非定常計(jì)算監(jiān)測(cè)相關(guān)位置壓力脈動(dòng)，分析超出力運(yùn)行可行性，得到如下結(jié)論：

1)在各計(jì)算工況下，水輪機(jī)均有較高的效率，能量性能較好；同時(shí)在高水頭超出力運(yùn)行工況，在尾水管錐管段，錐管出口段等區(qū)域壓力脈動(dòng)均能滿(mǎn)足規(guī)定要求，機(jī)組能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

2)根據(jù)不同工況靜應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分析，各工況下轉(zhuǎn)輪部位等效靜應(yīng)力均滿(mǎn)足合同要求；機(jī)組在82 m水頭運(yùn)行時(shí)，水輪機(jī)所受靜應(yīng)力較小，結(jié)構(gòu)安全性較好。