基于CFD的映秀灣電站過流部件的分析

2018-03-21 11:09:25張富成

中國農村水利水電 2018年1期

卿彪，楊軍，唐軍，張富成

(國網四川省電力公司映秀灣水力發電總廠，四川都江堰 611830)

0 引言

映秀灣電站在經過多年運行之后，尤其是在經過地震和泥石流災害之后，映秀灣電站水輪機機組的效率和穩定性都降低，空化空蝕現象特別嚴重，嚴重影響了機組穩定和高效運行。因此，為了提高機組的性能，從而確保機組穩定，高效的運行，有必要對映秀灣電站的水輪機組進行改造。在對映秀灣電站水輪機的轉輪進行優化分析之后，選擇了一個適合于映秀灣電站的高效的轉輪A606c。

為了確定新選擇的轉輪是否符合映秀灣電站水輪機組的尺寸，以及運行中對水流流態的影響，就有完全必要對映秀灣電站原有的過流部件進行分析，從而確定新選擇的轉輪與過流部件在尺寸上是否匹配，從而找出原過流部件是否有需要進行修型的部位，

從而確保機組的振動和擺度合理，轉輪與過流部件的空化性能良好。進而達到映秀灣電站水輪機改造的目的，提高整個機組的運行效率。

映秀灣電站的過流部件主要有蝸殼，固定導葉，以及活動導葉，這些部件都是埋設部件，因此此次分析采用的手段只能是數值模擬，也就是利用計算流體動力學(CFD)。故而此次計算分析主要集中在蝸殼，固定導葉，活動導葉。如表1所示為原水輪機設計參數。

1 控制方程

為了使得此次計算更加的合理，本次計算先對蝸殼和固定導葉進行計算，而后對固定導葉和活動導葉進行聯合計算。在計算過程當中涉及的基本控制方程如下[1-3]：

連續方程：

表1 原水輪機設計參數Tab.1 Design parameters of raw water turbine

(1)

動量方程：

(2)

RNGk-ε模型：1986年Yakhot和Orszag提出RNGk-ε模型。Renormalization Group(譯為重正化群)的縮寫為RNG。修正后的k方程和ε方程形式分別如下：

式中：μt=ρCμκ2/ε為湍流黏度；μeff=μ+μt為有效黏性系數；μt分析了旋轉葉輪式流體機械流場效果。

2 CFD計算

2.1 蝸殼與固定導葉的CFD計算

蝸殼是水流進入水輪機的第一個部件，同時它將水流引向導水機構并進入轉輪區，因此在電站的改造后應當盡量減少水流在蝸殼當中的水力損失，同時保證水流能夠均勻、軸對稱地進入蝸殼，提高機組運行的穩定性[4]。映秀灣水電站在重新選擇了新轉輪之后，新轉輪的尺寸和舊轉輪的尺寸有一定的差異，因此有必要對現有的蝸殼和固定導葉進行優化分析，而用數值方法研究蝸殼內部流場已經成為改進和優化蝸殼與固定導葉設計的一個重要的手段[5]。

利用三維建模軟件UG對映秀灣電站蝸殼進行三維建模[6]，ICEM進行網格劃分，如圖1所示，將劃分好的網格導入CFX軟件當中進行計算，此次計算工況取Q11=650 L/s(最優工況附近單位流量)和Q11=750 L/s(額定工況附近單位流量)，額定工況下蝸殼的計算結果如圖1-4所示。

圖1 蝸殼三維實體圖Fig.1 Three dimensional solid diagram of the spiral case

圖2 蝸殼壓力及速度等值線Fig.2 Spiral case pressure and velocity contour

圖3 蝸殼速度矢量和流線圖Fig.3 Velocity vector and streamline of spiral case

圖4 蝸殼斷面速度矢量圖Fig.4 Velocity vector of the section of the spiral case

根據流場計算結果計算了蝸殼內直徑為558.3 mm(模型尺寸D1=350 mm)圓周(固定導葉外切圓)上的出流角。蝸殼出流角與固定導葉進口安放角比較，見圖5所示。從圖中分析可知，在整個蝸殼包角范圍內，蝸殼出流角變化從 23.1～31°左右，角度變化范圍在8°左右。同時蝸殼內流態分布也顯示出蝸殼壓力分布、流線均勻合理。因此映秀灣電站蝸殼 CFD 計算結果是比較理想的。從圖5來看，固定導葉進口安放角約為 27°，與蝸殼的匹配也基本合適。圖6為固定導葉頭部進口區域速度矢量分布圖，從圖中也可以得出，固定導葉進口區域內的流線分布也是比較均勻合理的。

圖5 蝸殼出流角與固定導葉進口安放角的比較Fig.5 Comparison between the outlet angle of spiral case and the inlet angle of fixed guide vanes

圖6 固定導葉頭部進口區域速度矢量分布Fig.6 Fixed guide vane head inlet region velocity vector distribution

2.2 固定導葉與活動導葉的CFD計算

在轉輪與活動導葉的聯合計算分析中，計算了轉輪最優效率與開口的對應關系，從中可知，轉輪A606c與正曲率導葉相配時，最優開口為16 mm(模型轉輪對應的開口值)。

圖7 活動導葉最優開口與固定導葉幾何關系Fig.7 Geometric relationship between the optimal opening of the movable guide vane and the fixed guide vane

圖7是轉輪計算得出的導葉最優開口與固定導葉的幾何匹配情況。從圖中可以清楚地看出，改造后的轉輪A606c與正曲率導葉匹配的最優開口16 mm 時，活動導葉進口角約為25.9°，而映秀灣固定導葉出口角為 24.3°，其最優匹配關系很好。由此可以從固定導葉與活動導葉幾何位置關系上判斷，原固定導葉和活動導葉匹配情況是合理的。為了進一步分析導葉區域流場分布情況，因此做了固定導葉與活動導葉的 CFD 聯合計算分析。以下是轉輪額定水頭、最優開口下的導葉聯合計算CFD分析結果(活動導葉開口為最優開口A0=16 mm)。

圖8 固定導葉和活動導葉壓力和速度矢量分布Fig.8 Distribution of pressure and velocity vector of fixed guide vane and active guide vane

圖9 固定導葉和活動導葉流線分布(俯視)Fig.9 Distribution of flow lines in fixed guide vanes and active guide vanes(overlooking)

圖10 固定導葉和活動導葉區域內部流線分布Fig10 Distribution of flow lines in the area of fixed guide vane and moving guide vane

從導葉CFD分析結果看出，最優開口下，活動導葉進口頭部壓力駐點基本位于導葉頭部中間附近，速度矢量、流線分布均勻。說明轉輪計算最優開口時導葉區域流態分布良好。根據 CFD 分析結果，計算了不同開口導葉區的水頭損失，并以數值效率的形式表示于圖11。由圖11 可知，導葉區水頭損失最小的開口在17 mm 左右。也就是說固定導葉、活動導葉聯合計算的最優開口與活動導葉、轉輪聯合計算的最優開口是基本一致的。說明改造后的轉輪A606c用于映秀灣電站與其他通流部件的匹配關系是合適的。

圖11 導葉區域數值效率Fig.11 Numerical efficiency of guide vane

3 結果驗證

映秀灣電站水輪機機組投入運行之后，對機組運行的相關指標進行監測，如表2所示。待機組停機之后，對機組的過流部件(轉輪，固定導葉，活動導葉，蝸殼)進行空蝕檢查，如圖12 所示。根據表2和圖12分析表明，映秀灣電站改造后的機組的相關運行指標都在合理的范圍內，過流部件的空化性能良好，說明針對此次改造過程當中的過流部件的分析是合理的，達到了預期的目的。