陳文清，韋正鵬，劉 陽

（1.福建華電福瑞能源有限公司池潭水力發(fā)電廠，福建 三明 354400；2.華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州 310000）

0 前言

水電站主要是依靠水電的勢(shì)能轉(zhuǎn)換為水輪機(jī)的機(jī)械能，再將水輪機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，其電站的來水量與水能利用率直接影響電站的經(jīng)濟(jì)效益[1]。針對(duì)某些電站，由于設(shè)計(jì)年代較為久遠(yuǎn)，水情信息變化較大，汛期棄水量大，且棄水時(shí)間長(zhǎng)，水能利用率較低，電站經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重[2]。因此，針對(duì)汛期展開機(jī)組超出力研究顯得十分必要。展開機(jī)組超出力研究第一步首先需要針對(duì)水輪機(jī)超出力運(yùn)行進(jìn)行分析，目前很多專業(yè)技術(shù)人員也針對(duì)水輪機(jī)展開過大量研究?？涤绖?等[3]利用數(shù)值計(jì)算軟件，分析某水輪機(jī)在高水頭條件下超10%出力工況下運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，所得尾水管脈動(dòng)壓力、轉(zhuǎn)輪葉片靜應(yīng)力等均滿足規(guī)范要求，論證了該水輪機(jī)在一定高水頭區(qū)域超出力運(yùn)行可行性。張冬生 等[4]對(duì)某大型水電站機(jī)組超出力運(yùn)行背景、超出力運(yùn)行功率可行性及超出力運(yùn)行不利因素等做了深入分析，對(duì)水電機(jī)組超出力運(yùn)行控制措施做了詳細(xì)總結(jié)敘述。楊寧湖[5]在保證機(jī)組安全運(yùn)行的前提下，從機(jī)組運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性方面考慮，對(duì)機(jī)組超額定出力運(yùn)行的可行性進(jìn)行論證，最終得出單機(jī)容量為80 MW機(jī)組具備超5 MW運(yùn)行的條件。劉錦濤 等[6]為防止超出力工況下轉(zhuǎn)輪內(nèi)流體流速過高，出現(xiàn)脫流現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致無葉區(qū)壓力脈動(dòng)的升高，研究了水泵水輪機(jī)在超出力工況下運(yùn)行時(shí)的水力穩(wěn)定性。利用仿真軟件對(duì)在110%額定功率下運(yùn)行的模型機(jī)組進(jìn)行數(shù)值模擬，得出了超出力工況下的水泵水輪機(jī)內(nèi)流場(chǎng)以及壓力脈動(dòng)，并針對(duì)導(dǎo)葉流域的壓力脈動(dòng)演化規(guī)律進(jìn)行分析。

本文針對(duì)某水電站棄水量大、棄水時(shí)間長(zhǎng)等現(xiàn)象，對(duì)機(jī)組進(jìn)行全流道數(shù)值仿真分析、空化性能分析、穩(wěn)定性與剛強(qiáng)度分析，結(jié)合相關(guān)理論與電站實(shí)際情況，分析該水電站水輪機(jī)進(jìn)行超出力運(yùn)行的可行性，為電站超出力運(yùn)行提供可靠的理論依據(jù)，提高電站的經(jīng)濟(jì)效益。

1 研究方法

1.1 控制方程

質(zhì)量守恒方程可表示為：

式中：u、v、w分別表示速度矢量u在x、y、z方向的分量。

動(dòng)量方程可表示為：

式中：u為速度，p為壓力，ρ為水的密度，為1 000 kg/m3，τ為雷諾應(yīng)力，μ為動(dòng)力黏度，S為源項(xiàng)。

1.2 流固耦合計(jì)算

當(dāng)考慮流體域?qū)腆w域作用時(shí)，其結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程可表示為：

式中：M為質(zhì)量矩陣，C為阻尼矩陣，K為剛度矩陣，Q為節(jié)點(diǎn)載荷矩陣，為系統(tǒng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的位移矢量、速度矢量與加速度矢量。

2 模型網(wǎng)格建立與邊界條件設(shè)定

2.1 電站參數(shù)

電站水輪機(jī)額定功率為37.5 MW的豎軸混流式水輪機(jī)，額定水頭48 m，水輪機(jī)型號(hào)為HLA551c-LJ-310，由哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司生產(chǎn)，水輪機(jī)設(shè)備具體參數(shù)見表1所示。

表1 電站水輪機(jī)設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)

2.2 模型建立與網(wǎng)格劃分

2.2.1 物理模型建立

根據(jù)電站相關(guān)資料，采用商業(yè)軟件對(duì)水輪機(jī)全流道進(jìn)行幾何造型。整體計(jì)算域幾何模型及其各過流部件如圖1、圖2所示。

圖1 整體計(jì)算域幾何模型

圖2 各過流部件幾何模型

2.2.2 網(wǎng)格劃分

為了準(zhǔn)確的模擬水輪機(jī)各過流部件內(nèi)部流動(dòng)，并且在數(shù)值計(jì)算盡量減少誤差，采用高精度六面體網(wǎng)格對(duì)各過流部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了消除網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果所引起的誤差，本文對(duì)研究模型所采用的網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性計(jì)算驗(yàn)證，最終確定網(wǎng)格數(shù)量級(jí)為600萬[7]，各過流部件網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 各過流部件網(wǎng)格

2.3 邊界條件的設(shè)定

采用ANSYS CFX水輪機(jī)各過流部件的內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，進(jìn)口邊界為蝸殼進(jìn)口斷面，指定總壓為邊界條件，出口邊界為尾水管出口斷面。湍流模型采用能較好的預(yù)測(cè)及模擬分離渦的SST k-ω模型，以最大殘差小于0.000 1做為計(jì)算收斂的唯一標(biāo)準(zhǔn)。CFD計(jì)算邊界條件如表2所示。

表2 計(jì)算邊界條件

3 水輪機(jī)超出力運(yùn)行分析

3.1 工況點(diǎn)選取

為分析該電站水輪機(jī)超出力運(yùn)行的可行性，本文選取3個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行超出力分析，各工況點(diǎn)具體信息如表3所示。

表3 超出力運(yùn)行分析工況點(diǎn)

3.2 流場(chǎng)分析

由于超出力主要考驗(yàn)轉(zhuǎn)輪的水力性能，因此本次流場(chǎng)分析主要針對(duì)轉(zhuǎn)輪展開。超出力工況下，轉(zhuǎn)輪葉片壓力場(chǎng)圖與內(nèi)流線圖如圖4~圖6所示。從CFD分析結(jié)果來看，在3種工況下，轉(zhuǎn)輪壓力分布均勻，有良好的壓力梯度，轉(zhuǎn)輪高壓區(qū)主要集中在轉(zhuǎn)輪正面進(jìn)水邊位置，低壓區(qū)域面積較少；轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流線光滑順暢，無明顯脫流現(xiàn)象產(chǎn)生。因此可以看出在這3種超出力工況下運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)輪整體流態(tài)分布良好，可以滿足機(jī)組超出力運(yùn)行要求。

圖4 工況1轉(zhuǎn)輪葉片壓力云圖與內(nèi)流線圖

圖5 工況2轉(zhuǎn)輪葉片壓力云圖和內(nèi)流線圖

圖6 工況3轉(zhuǎn)輪葉片壓力云圖和內(nèi)流線圖

3.3 水輪機(jī)空化性能復(fù)核

本次超出力運(yùn)行研究是通過利用原導(dǎo)葉開度設(shè)計(jì)余量，增加轉(zhuǎn)輪過流量實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)超出力運(yùn)行。采用此種措施增加出力，實(shí)際上就是加大了轉(zhuǎn)輪的使用單位流量，導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪空化系數(shù)增加，空化裕量減少，需對(duì)轉(zhuǎn)輪增加出力前后各個(gè)工況點(diǎn)的空化性能變化進(jìn)行復(fù)核分析。根據(jù)計(jì)算得到各超出力工況點(diǎn)參數(shù)統(tǒng)計(jì)見表4，HLA511C轉(zhuǎn)輪模型曲線見圖7，主要工況點(diǎn)空化系數(shù)見表5。

圖7 HLA511C轉(zhuǎn)輪模型運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線

表4 計(jì)算工況點(diǎn)參數(shù)

表5 模型轉(zhuǎn)輪空化系數(shù)

根據(jù)機(jī)組運(yùn)行工況點(diǎn)并結(jié)合HLA551C模型曲線，電站導(dǎo)葉中心線高程為407.1 m，裝置安全系數(shù)K取值1.3。對(duì)各工況點(diǎn)的空化性能核算見表6。根據(jù)電站水文資料，在2 192個(gè)樣本中，有112 d的吸出高度大于-1.5 m，有151 d的吸出高度大于-2.08 m，由此可以看出機(jī)組在3種超出力運(yùn)行的工況下空化性能可以滿足要求。

表6 各工況空化性能核算

表7 轉(zhuǎn)輪材料的機(jī)械性能

3.4 水輪機(jī)壓力脈動(dòng)復(fù)核

水輪機(jī)在超出力工況運(yùn)行時(shí)，水輪機(jī)增加出力后轉(zhuǎn)輪使用單位流量有所增加，其穩(wěn)定性的好壞也是評(píng)判該機(jī)組是否具備超出力運(yùn)行的考核條件之一。本文選取工況3的壓力脈動(dòng)情況進(jìn)行CFD數(shù)值仿真。在計(jì)算中對(duì)尾水管進(jìn)口處（位置為0.3D2）進(jìn)行壓力監(jiān)測(cè)。

如圖8所示，本部分計(jì)算了轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)了5個(gè)周期的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，前兩個(gè)周期不穩(wěn)定。以0.6 s以后的結(jié)果進(jìn)行分析。通過曲線可以看出在0.6 s之后，尾水管監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最低壓力為70 800 Pa，最高壓力為71 030 Pa，壓力脈動(dòng)幅值在合格范圍內(nèi)。預(yù)計(jì)增加出力后機(jī)組的穩(wěn)定性指標(biāo)不會(huì)出現(xiàn)明顯變化，能夠滿足超出力安全穩(wěn)定運(yùn)行要求。

圖8 工況3尾水壓力脈動(dòng)

3.5 水輪機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

由于增加出力增大了導(dǎo)葉開度，流道壓力場(chǎng)有所變化，因此有必要對(duì)水輪機(jī)有關(guān)部件的剛強(qiáng)度進(jìn)行分析。

按有限元分析計(jì)算，選取最大載荷工況（工況3）作為計(jì)算分析工況，轉(zhuǎn)輪材質(zhì)為ZG06Cr13Ni4Mo，其機(jī)械性能見表6，材料彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3。對(duì)法蘭端面給定固定約束條件，并添加重力，給定轉(zhuǎn)速，導(dǎo)入流體壓力，進(jìn)行單向流固耦合強(qiáng)度分析。

計(jì)算結(jié)果如圖9所示，轉(zhuǎn)輪在最大載荷的情況下，最大受力位置為上冠與葉片出水邊處，最大應(yīng)力為90.672 MPa小于材料的許用應(yīng)力110 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖9 轉(zhuǎn)輪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

通過對(duì)某電站水輪機(jī)在3種超出力運(yùn)行工況研究分析，得出如下結(jié)論：

（1）在3種超出力工況下運(yùn)行時(shí)水輪機(jī)內(nèi)部流態(tài)良好，無明顯脫流現(xiàn)象產(chǎn)生，轉(zhuǎn)輪具備良好水力性能。

（2）在3種超出力工況下，水輪機(jī)空化性能良好，滿足電站實(shí)際運(yùn)行要求，同時(shí)水輪機(jī)的穩(wěn)定性也良好，轉(zhuǎn)輪強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。