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基于CFD和FEM的混流式水輪機數(shù)值模擬研究

2016-12-13 08:24:06孫見波李穎徐偉雷恒
電網(wǎng)與清潔能源 2016年9期
關(guān)鍵詞:混流式蝸殼導(dǎo)葉

孫見波,李穎,徐偉,雷恒

(1.杭州亞太水電設(shè)備成套技術(shù)有限公司,浙江杭州 310012;2.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南開封 475004;3.小流域水利河南省高校工程技術(shù)研究中心,河南開封 475004)

基于CFD和FEM的混流式水輪機數(shù)值模擬研究

孫見波1,李穎2,3,徐偉1,雷恒2,3

(1.杭州亞太水電設(shè)備成套技術(shù)有限公司,浙江杭州 310012;2.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南開封 475004;3.小流域水利河南省高校工程技術(shù)研究中心,河南開封 475004)

根據(jù)標準k-ε雙方程和雷諾時均(N-S)方程,給定轉(zhuǎn)輪邊界條件,建立混流式水輪機內(nèi)部流動的數(shù)學(xué)模型。利用CFD技術(shù)分析水輪機內(nèi)部、活動導(dǎo)葉和固定導(dǎo)葉速度分布,葉片壓力分布等流動參數(shù);采用FEM剛強度分析轉(zhuǎn)輪葉片應(yīng)力和變形量,復(fù)核葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料?;贑FD和FEM數(shù)值模擬技術(shù),對水輪機選型、優(yōu)化設(shè)計均具有一定的指導(dǎo)意義。

CFD;FEM;混流式水輪機;轉(zhuǎn)輪

水輪機轉(zhuǎn)輪是水電站機電設(shè)備的關(guān)鍵部件之一,直接決定機組效率和運行穩(wěn)定性。本文以混流式水輪機為例,對水輪機建立三維模型,采用CFD[1-2]和FEM對水輪機進行數(shù)值模擬計算,以期提高水輪機的效率,增加水電站的效益。

1 CFD計算

1.1 基本方程

水輪機內(nèi)部流體的三維湍流以連續(xù)方程和N-S方程表示[2-3],即

式中:ρ為密度;ui、uj為平均速度(i、j=1、2、3);p″為等效壓力;μe為流體粘性系數(shù)。

采用標準k-ε雙方程使雷諾時均(N-S)方程封閉:

穩(wěn)態(tài)計算,收斂殘差標準為1×10-5;對流離散格式采用二階精度;蝸殼入口邊界條件為總壓入口,尾水管出口邊界為靜壓出口;轉(zhuǎn)子區(qū)域界面和靜止區(qū)域界面采用Frozen-Rotor連接。

1.2 計算對象

某水電站裝機3×180 MW,為一洞一機單元引水式電站,單臺機組流量304 m3/s。水輪機轉(zhuǎn)輪型號為HL-LJ-563,最大水頭79 m,最小水頭58 m,額定水頭69 m,轉(zhuǎn)輪直徑5.63 m,額定轉(zhuǎn)速115.4 r/min。

1.3 計算區(qū)域及邊界條件

水輪機在設(shè)計階段利用基于CFD的仿真技術(shù)進行優(yōu)化設(shè)計[3-7],包括蝸殼、導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪和尾水管等部分。整體模型共劃分5個單元,250萬個計算網(wǎng)格,如圖1所示。

圖1 計算區(qū)域網(wǎng)格Fig.1 Calculation of the regional grid

由于在實際運行過程中,混流式水輪機轉(zhuǎn)輪受到的力較為復(fù)雜,在計算中需要進行合理簡化。同時由于運行中工況參數(shù)在實時變化,考慮到全部工況計算量較大,所以本次選取額定工況和最危險的飛逸工況進行了計算。其中額定工況下扭矩為2.188×107N·mm。

為了便于與后續(xù)模型試驗的數(shù)據(jù)進行對比,邊界條件設(shè)定:

1)進口采用速度進口,速度值由各工況對應(yīng)流量計算給出。

2)出口采用自由出流。

3)壁面邊界條件采用默認值,即無滑移邊界,近壁區(qū)采用標準壁面函數(shù)。

圖2 蝸殼內(nèi)部壓力分布對比Fig.2 Comparison of pressure contour in the spiral case

2 CFD結(jié)果及分析

2.1 蝸殼及固定導(dǎo)葉

圖2和圖3是最優(yōu)工況和額定工況下的蝸殼壓力分布和速度分布對比。2種工況下,在固定導(dǎo)葉進口、活動導(dǎo)葉進口方向,速度均勻增大,速度分布保持較好的軸對稱性,流線順暢、無渦流現(xiàn)象。固定導(dǎo)葉進出口壓力分布均勻,流線無脫流現(xiàn)場發(fā)生。因此,蝸殼和固定導(dǎo)葉形狀、布置設(shè)計合理,流態(tài)匹配較好。

圖4為2個計算工況下固定導(dǎo)葉和活動導(dǎo)葉速度矢量分布圖。2個設(shè)計工況下,固定導(dǎo)葉和活動導(dǎo)葉間的流動匹配良好。額定工況下,由于流量的增加,固定導(dǎo)葉和活動導(dǎo)葉頭部區(qū)域流速略高,并出現(xiàn)了微弱的分離。

2.2 葉片壓力分布

圖5和圖6所示為轉(zhuǎn)輪葉片表面靜壓對比圖。葉片從進水邊至出水邊表面靜壓力逐漸低,壓力梯度分布均勻,無突變;葉片正、背面的壓力差值幅度較大,水流能量轉(zhuǎn)換充分,呈現(xiàn)高效率轉(zhuǎn)輪的特征,合理的載荷分布同時也改善了葉片的受力狀態(tài)。

2.3 計算效率

通過CFD計算,最優(yōu)工況和額定工況下不同過流部件的水頭損失對比見圖7。2個工況下轉(zhuǎn)輪區(qū)域的損失基本一致,說明該模型具有較好的水頭適應(yīng)性。尾水管的水頭損失差別較高,說明由于尾水管

內(nèi)的渦帶的影響,產(chǎn)生了一定的能量消耗,但僅占總損失的2.2%,機組保持較高的水力效率。

圖3 蝸殼內(nèi)部速度分布對比Fig.3 Comparison of internal velocity distribution in the spiral case

圖4 固定導(dǎo)和活動導(dǎo)葉內(nèi)部流動對比Fig.4 Comparison of internal velocity distribution in SV and GV

圖5 壓力面壓力分布對比Fig.5 Comparison of pressure distribution of pressure side in the runner blade

CFD計算結(jié)果表明:不同過流部件之間匹配良好,水力損失較小,整個流道內(nèi)壓力分布均衡,未出現(xiàn)明顯的邊界層分離和嚴重的脫流現(xiàn)象,總體具有較高的水力效率。

圖6 吸力面壓力分布對比Fig.6 Comparison of pressure distribution of suction side in the runner blade

圖7 不同部件的水頭損失Fig.7 Comparison of head loss of different parts

3 FEM分析

3.1 計算背景

某電站水輪機額定出力103 MW,最高水頭154 m,額定轉(zhuǎn)速250 r/min,飛逸轉(zhuǎn)速490 r/min。本文對該電站的轉(zhuǎn)輪模型進行了FEM分析計算[8-10]。

轉(zhuǎn)輪的幾何模型和所受載荷均是周期對稱的,在進行靜強度分析時選取了轉(zhuǎn)輪模型的1/15(其中轉(zhuǎn)輪葉片個數(shù)為15只)。為了獲得整個轉(zhuǎn)輪的分析數(shù)據(jù),在分割面上施加了循環(huán)對稱邊界條件。

3.2 應(yīng)力分析

轉(zhuǎn)輪葉片材料采用不銹鋼,材質(zhì)為ZG00Cr13 Ni5Mo,其屈服極限為750 MPa。根據(jù)設(shè)計要求,額定工況下最大許用應(yīng)力為材料屈服極限的1/5,飛逸工況下最大許用應(yīng)力為材料屈服極限的2/5,即150 MPa和300 MPa。

圖8 額定工況下轉(zhuǎn)輪等效應(yīng)力分布圖Fig.8 Comparison of strain distribution of runner blade

圖8為額定工況下轉(zhuǎn)輪等效應(yīng)力分布圖,額定工況下轉(zhuǎn)輪葉片最大應(yīng)力為98 MPa,位于靠近下環(huán)的出水邊處,上冠最大應(yīng)力為87 MPa,下環(huán)最大應(yīng)力為76 MPa;飛逸工況下轉(zhuǎn)輪葉片的最大應(yīng)力為211 MPa,位于靠近下環(huán)的出水邊處,上冠最大應(yīng)力

為181MPa,下環(huán)最大應(yīng)力為211 MPa。計算結(jié)果表明,機組運行時的葉片應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力,滿足電站安全運行要求。

3.3 變形

圖9是2個工況下剛度計算結(jié)果。額定工況下轉(zhuǎn)輪葉片的最大徑向位移為-0.8 mm,上冠最大徑向位移為0.02 mm,下環(huán)最大位移量為-0.05 mm;飛逸工況下轉(zhuǎn)輪的最大徑向位移為1.5 mm,上冠最大徑向位移為0.15 mm,下環(huán)最大位移為0.9 mm。電站設(shè)計采用間隙上止漏環(huán)處為1.3 mm,下止漏環(huán)處為1.4 mm,所以轉(zhuǎn)輪徑向變形對機組運行沒有影響,滿足電站運行要求。

圖9 葉片徑向變形Fig.9 Comparison of radial deformation of runner blade

4 結(jié)語

采用CFD和FEM數(shù)值模擬技術(shù)分析了水輪機轉(zhuǎn)輪各部件速度規(guī)律變化、壓力分布,能較好地反映出流道的特征,提升了水輪機數(shù)字化設(shè)計的水平,增加了水電站的效益,對水輪機選型和優(yōu)化設(shè)計均具有一定的指導(dǎo)意義。

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(編輯 李沈)

Research on Numerical Simulation of the Francis Turbine Based on CFD and FEM

SUN Jianbo1,LI Ying2,3,XU Wei1,LEI Heng2,3
(1.Hangzhou Yatai Hydro Equipment Completing Co.,Ltd.,Hangzhou 310012,Zhejiang,China;2.Yellow River Conservancy Technical Institute,Kaifeng 475004,Henan,China;3.Engineering Technology Research Center of Small Watershed Conservancy University of Henan Province,Kaifeng 475004,Henan,China)

In this paper,the mathematical model of the internal flow of Francis turbine is established according to the k-ε equation and N-S equation and given fixed runner boundary condition.Flow parameters,such as velocity and pressure distribution of the spiral case,stay vane,guide van and runner are analyzed using CFD analysis technology to review.Stress and deformation of the runner are analyzed based on FEM calculation and material selection and structural design are verified.Numerical simulation technology based on CFD and FEM shall be applied to selection and optimization of hydraulic turbine.

CFD;FEM;francis turbine;runner

2016-01-28。

孫見波(1979—),男,碩士,工程師,研究方向為水力機械、新型能源裝置;

雷 恒(1980—),男,副教授,研究方向為水力機械、水電站動力設(shè)備。

十二五國家科技支撐技術(shù)課題(2012BAD10B01);河南省基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究項目(162300410053);黃河水院科學(xué)技術(shù)資助項目(2016KXJS002)。

Project Supported by the National Science and Technology Support Program in the Twelfth Five-Year Plan(2012BAD10B01);Basic and Advanced Technology Research program of Henan Province(162300410053);Science andTechnology Research Program of Yellow River Conservancy Technical Institute(2016KXJS002).

1674-3814(2016)09-0146-05

TV734.4

A

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