梁 柱，趙玉忠，王昌林，談泰權(quán)，陳佳瑞，盧加興，劉小兵

(1.國網(wǎng)四川省電力公司映秀灣水力發(fā)電總廠，四川 成都 611830；2.西華大學(xué)流體及動力機械教育部重點實驗室，四川 成都 610039)

隨著數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，借助計算機數(shù)值模擬已經(jīng)可以相對準(zhǔn)確的預(yù)測多相流場的流動規(guī)律和特點，這使得CFD數(shù)值分析技術(shù)已然成為了研究水力機械內(nèi)部泥沙磨損的重要手段[1- 4]。黃劍鋒等[5]采用多面體網(wǎng)格技術(shù)和滑移混合多相流模型對水輪機進行數(shù)值模擬，其結(jié)果表明固液兩相湍流場會導(dǎo)致機組振動增強并加劇泥沙磨損。Padhy等[6]研究了泥沙顆粒的大小、硬度、水流速度等對水輪機性能和效率的影響，并提出了工程措施。劉小兵等[7]通過數(shù)值模擬研究，得到水輪機過流部件表面泥沙磨損情況。鮑崇高等[8]通過研究水輪機過流部件的4種典型材料，得到過流部件材料的沖蝕磨損腐蝕及其交互作用。常近時等[9]對水泵與水輪機的空化與空蝕進行了試驗，得到了不同因素對水力機械運行時空化的影響。易艷林[10]等從試驗研究和數(shù)值模擬、磨損影響因素及磨損預(yù)估模型3個方面闡述了國內(nèi)外對水輪機泥沙磨損問題的研究成果。

為減少檢修周期，維護機組安全穩(wěn)定運行，增加電站經(jīng)濟效益，本文通過數(shù)值模擬對不同工況下活動導(dǎo)葉泥沙濃度分布進行研究，為電站水輪機活動導(dǎo)葉的設(shè)計安裝提供參考。

1 數(shù)值計算模型

本文采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型[11-13]，對映秀灣水電站水輪機固液兩相流動進行計算，方程如下：

液相連續(xù)方程

(1)

式中，φ為體積分?jǐn)?shù)；t為時間；x為坐標(biāo)分量；V為速度；vt為湍流渦流運動黏性系數(shù)；下角標(biāo)f為液相，p為固相；下角標(biāo)i，j為張力坐標(biāo)。

固相連續(xù)方程

(2)

液相動量方程

(3)

式中，Sf為定義的源項。

固相動量方程

(4)

式中，Sp為定義的源項。

湍動能k方程

(5)

式中，下角標(biāo)k為張力坐標(biāo)；GK為平均速度梯度所產(chǎn)生的湍流動能；Gb為浮力產(chǎn)生的湍流動能；YM為過渡的擴散產(chǎn)生耗散率的貢獻；Sk為定義的源項。

湍動能擴散率ε方程

(6)

式中，σε≈1.3；C1ε≈1.44；C2ε≈1.92；C3ε≈1.2；σk≈1.0；Sε為定義的源項。

2 數(shù)值計算及結(jié)果分析

2.1 研究電站水文資料

映秀灣水電站位于四川省汶川縣境內(nèi)的岷江上游左岸，該河段屬于山區(qū)河流，河流多年平均含沙量為0.72 kg/m3，多年平均過機含沙量為0.33～0.37 kg/m3[14]。在經(jīng)歷了汶川5.12地震和8.14特大泥石流自然災(zāi)害后，尤其在汛期時大量的泥沙顆粒進入水輪機組導(dǎo)致過流部件表面因沖刷而產(chǎn)生破壞，這不僅對運行人員和水輪機機組的安全造成威脅，還會引起機組效率和穩(wěn)定性下降。電站水輪機裝機數(shù)為3臺，單機容量45 MW，額定流量94.1 m3/s，額定水頭54 m，額定轉(zhuǎn)速125 r/min[15]。

2.2 水輪機計算幾何模型及網(wǎng)格劃分

本研究采用UG對各過流部件進行三維建模，水輪機內(nèi)部過流通道水體如圖1所示。利用ICEM對模型進行四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分并做無關(guān)性檢驗，最終水體域總網(wǎng)格數(shù)為2 465萬，其中蝸殼網(wǎng)格數(shù)為22萬，固定導(dǎo)葉網(wǎng)格數(shù)為25萬，活動導(dǎo)葉網(wǎng)格數(shù)為26萬，轉(zhuǎn)輪網(wǎng)格數(shù)為122萬，尾水管網(wǎng)格數(shù)為52萬。網(wǎng)格質(zhì)量最小為0.35，y+值小于52，網(wǎng)格質(zhì)量滿足計算要求。

圖1 水輪機過流部件三維水體示意

2.3 計算邊界條件

本研究對映秀灣水電站所采用的HLA982a-LJ- 418型水輪機活動導(dǎo)葉在出力P1=11.4 MW(開度為97.2 mm)、P2=42.8 MW(開度為252.8 mm)工況下的磨損情況進行研究。利用ANSYS-CFX軟件進行數(shù)值模擬，其中出力為P1時進口速度為2.13 m/s，出力為P2時進口速度為5.13 m/s，出口壓力均為60 247 Pa，沙粒重力加速度均為9.81 m3/s，沙粒密度均為2 650 kg/m3，沙粒中值粒徑均為0.21 mm，泥沙濃度均為3.27 kg/m3，泥沙體積分?jǐn)?shù)均為0.001 233 9，近壁面區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，流道壁面固體為無滑移條件。

2.4 計算結(jié)果及分析

對該電站水輪機在出力為P1=11.4 MW、P2=42.8 MW，含沙量為3.27 kg/m3的工況下各過流部件沙水流動進行數(shù)值計算。

由圖2導(dǎo)葉間泥沙速度分布可知，不同出力工況下泥沙繞流速度變化規(guī)律相似，活動導(dǎo)葉頭部泥沙繞流速度隨出力的增加而變大。同一工況下活動導(dǎo)葉背面泥沙繞流速度均先減小后增大。不同出力工況，活動導(dǎo)葉背面泥沙繞流速度較為平穩(wěn)?；顒訉?dǎo)葉工作面泥沙繞流速度在出力為P1時沿弦線方向總體呈增大趨勢，當(dāng)出力為P2時沿弦線方向呈減小趨勢。

圖2 導(dǎo)葉間泥沙速度分布示意

圖3 P1=11.4 MW活動導(dǎo)葉表面泥沙分布

圖4 P2=42.8 MW活動導(dǎo)葉表面泥沙分布

圖3、4為活動導(dǎo)葉表面泥沙體積分?jǐn)?shù)分布情況，由圖可知不同工況條件下活動導(dǎo)葉背面和工作面泥沙分布并不一致。泥沙顆粒受重力作用，同一出力工況在活動導(dǎo)葉工作面及背面從頂部至底部泥沙顆粒逐漸增多。在活動導(dǎo)葉工作面底部有泥沙沉積，沉積的部位主要集中在頭部和尾部，且隨著出力減小泥沙沉積逐漸增多。而泥沙在活動導(dǎo)葉背面尾部沉積相較于頭部更為嚴(yán)重。出力為P1時，泥沙在活動導(dǎo)葉背面尾部泥沙體積分?jǐn)?shù)明顯大于頭部。由文獻[16]可知水輪機過流部件表面泥沙體積分?jǐn)?shù)越大，則受泥沙顆粒撞擊的次數(shù)越多，從而引起過流部件表面磨損更為嚴(yán)重。因此在試驗及電站運行過程中應(yīng)更加關(guān)注活動導(dǎo)葉頭部的磨損。

3 結(jié) 論

本文通過對映秀灣水電站水輪機在泥沙含量為3.27 kg/m3時不同出力工況下進行沙水流動數(shù)值模擬，分析了活動導(dǎo)葉表面泥沙濃度在不同出力條件下的分布情況，得出以下結(jié)論：

(1)活動導(dǎo)葉頭部泥沙繞流速度及泥沙體積分?jǐn)?shù)均隨著水輪機出力的增加而逐漸增大，由于泥沙顆粒受重力因素的影響，導(dǎo)致底部有泥沙沉積，且頭部和尾部沉積較為嚴(yán)重。

(2)水輪機出力的增加對活動導(dǎo)葉工作面泥沙分布影響較大，且工作面的泥沙體積分?jǐn)?shù)大于背面。

(3)鑒于該電站水輪機活動導(dǎo)葉泥沙分布情況，應(yīng)避免該水輪機在出力過大條件下運行，并建議對活動導(dǎo)葉頭部及尾部表面進行噴涂防護。