某水電站混流式機(jī)組尾水管當(dāng)量錐角優(yōu)化研究

彭明瓊

（伊寧市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，新疆 伊寧 835000）

水輪機(jī)是水電站的核心設(shè)備，其效率的提升對(duì)電站而言具有重要的工程和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。目前，關(guān)于水輪機(jī)的研究主要集中于葉片數(shù)量和翼型，但是水輪機(jī)作為一個(gè)整體，尾水管的內(nèi)部流動(dòng)穩(wěn)定性也是影響水輪機(jī)效率和性能的重要因素[1]。擴(kuò)散度、相對(duì)管長(zhǎng)以及當(dāng)量錐角是混流式水輪機(jī)尾水管的主要特征參數(shù)[2]。其不同取值會(huì)對(duì)尾水管內(nèi)的水力特征產(chǎn)生顯著影響。對(duì)彎肘型尾水管而言，其當(dāng)量錐角一般較大，并造成直錐段出口和進(jìn)入彎肘段的流速降低[3]。尾水管中的水流受到水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的影響，大多呈螺旋形運(yùn)動(dòng)，由于離心力的作用往往會(huì)形成渦流滯水區(qū)[4]。水電站尾水管的性能主要用恢復(fù)系數(shù)衡量，恢復(fù)系數(shù)越高說(shuō)明尾水管的性能越好[5]。由于彎肘型尾水管造型復(fù)雜，其水力損失比較嚴(yán)重。因此，通過(guò)尾水管結(jié)構(gòu)優(yōu)化提高尾水管性能，改善機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性具有重要意義。

1 工程概況

某水電站是一座以發(fā)電為主，兼具防洪、灌溉等功能的小型徑流式水電站，裝機(jī)總?cè)萘繛?2400 kW，設(shè)計(jì)庫(kù)容1800萬(wàn)m3。工程的設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為百年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為千年一遇。水電站采用的混流式水輪機(jī)組，其基本參數(shù)如下：固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉分別為23個(gè)，長(zhǎng)葉片和短葉片均為15個(gè)，共30個(gè)葉片。水輪機(jī)的吸出高度為-8.35 m，額定流量為1.55 m3/s，轉(zhuǎn)輪機(jī)直徑為0.70 m。此外，水輪機(jī)尾水管還有兩個(gè)支墩。水輪機(jī)組的蝸殼與轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1和圖2。

圖1水輪機(jī)組的蝸殼結(jié)構(gòu)圖

圖2水輪機(jī)組轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)圖

2 水輪機(jī)三維有限元計(jì)算模型

2.1 模型的建立與網(wǎng)格劃分

UG是一款在工程設(shè)計(jì)研究領(lǐng)域十分常用的計(jì)算機(jī)軟件，具有十分強(qiáng)大的建模功能，可以輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)各種復(fù)雜工程實(shí)體的架構(gòu)。同時(shí)，該軟件屬于半?yún)?shù)化建模軟件，十分方便模型的修改。基于UG軟件比較自由的建模思路以及參數(shù)修改較為靈活的優(yōu)勢(shì)，本文采用UG軟件對(duì)水輪機(jī)的過(guò)流部件進(jìn)行三維模型構(gòu)建，并導(dǎo)入ICEM-CFD軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。最終獲得512713個(gè)網(wǎng)格單元，349243個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)。其中，尾水管部分的網(wǎng)格劃分示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 尾水管網(wǎng)格剖分示意圖

為了檢驗(yàn)網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量的合理性，盡量減小網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，研究中對(duì)尾水管模型進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)，驗(yàn)證曲線見(jiàn)圖4。由圖可知，當(dāng)模型的網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到510萬(wàn)以上時(shí)，機(jī)組的效率不會(huì)隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加而明顯變化。因此，本文研究中的網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量是合理的。

圖4 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證曲線

2.2 邊界條件

在利用數(shù)值計(jì)算模型進(jìn)行求解計(jì)算和處理之前，需要設(shè)置研究對(duì)象的邊界條件，其實(shí)質(zhì)就是指定區(qū)域邊界上的未知數(shù)。其中，模型的進(jìn)口邊界條件通過(guò)水輪機(jī)的進(jìn)口邊界的質(zhì)量流量確定，并給出定速度值[6]。其中，流速方向?yàn)楹瓦M(jìn)口斷面垂直的方向，流量的大小通過(guò)各工況的流量值確定。由于尾水管的出口經(jīng)常存在回流現(xiàn)象，因此將出口邊界條件設(shè)置為壓力邊界[7]。模型的壁面邊界條件設(shè)定為固體光滑壁面條件，近壁面部位的流體流速為0。

2.3 計(jì)算工況

本次研究在最優(yōu)工況下進(jìn)行不同當(dāng)量錐角下尾水管的內(nèi)部流場(chǎng)模擬計(jì)算，并利用CFD-POST軟件中對(duì)計(jì)算完成后的模型進(jìn)行后處理，進(jìn)而獲得尾水管內(nèi)部的速度、壓力和流線云圖。其中，小流量工況的相對(duì)導(dǎo)葉開(kāi)度為77.2%，單位流量為1200 L/s。尾水管的當(dāng)量錐角表示的是與彎肘形尾水管具有相同出口斷面和長(zhǎng)度情況下直錐管的錐角。顯然，在管長(zhǎng)一定的情況下，必定存在一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的最優(yōu)錐角。

通過(guò)查閱混流式水電機(jī)組尾水管當(dāng)量錐角的相關(guān)研究文獻(xiàn)，其推薦值一般為14°～18°[7]。因此，本次研究中設(shè)計(jì)了14°、16°和18°三個(gè)大小不等的當(dāng)量錐角值進(jìn)行數(shù)值模擬研究，以獲取最佳推薦值，進(jìn)而有效提升水電站機(jī)組的效率及電站本身的經(jīng)濟(jì)性。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 尾水管流場(chǎng)分布分析

3.1.1 尾水管壓力分布分析

利用構(gòu)建的模型對(duì)不同尾水管當(dāng)量錐角下尾水管壓力分布進(jìn)行分析計(jì)算，獲得如圖5～圖7所示的尾水管壓力分布云圖。由圖可知，在最優(yōu)工況下，尾水管當(dāng)量錐角為14°、16°和18°時(shí)，尾水管內(nèi)部的壓力分布從整體上看呈現(xiàn)出比較均勻的狀態(tài)。具體而言，當(dāng)高速水流從機(jī)組的轉(zhuǎn)輪出口進(jìn)入尾水管入口時(shí)，水流的壓力較小，隨著尾水管截面面積的自上而下不斷增大，水流的壓力也呈現(xiàn)出逐漸增大的態(tài)勢(shì)。同橫截面的不同部位來(lái)看，直錐段呈現(xiàn)出從內(nèi)向外逐漸增大的趨勢(shì)。在尾水管的的肘管部位，受到紊動(dòng)作用的影響，壓力分布并不均勻，特別是當(dāng)量錐角14°和18°時(shí)該部位的壓力分布不均現(xiàn)象更為明顯，存在局部的高壓區(qū)，當(dāng)當(dāng)量錐角為16°不存在比較明顯的局部高壓?jiǎn)栴}。

圖5 當(dāng)量錐角14°時(shí)尾水管壓力分布

圖6 當(dāng)量錐角16°時(shí)尾水管壓力分布

圖7 當(dāng)量錐角18°時(shí)尾水管壓力分布

3.1.2 尾水管流速分布

利用構(gòu)建的模型對(duì)不同尾水管當(dāng)量錐角下尾水管流速分布進(jìn)行分析計(jì)算，獲得如圖8～圖10所示的尾水管流速分布云圖。由圖可知，高速水流由水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪進(jìn)入尾水管進(jìn)口時(shí)，中心部位的流速最大，隨著水流向下運(yùn)動(dòng)尾水管的進(jìn)口半徑逐漸增大，因此水流的流速也呈現(xiàn)出逐漸下降的態(tài)勢(shì)。從整個(gè)縱截面的流速分布來(lái)看，呈現(xiàn)出比較明顯的對(duì)稱性特點(diǎn)。從不同當(dāng)量錐角的流速對(duì)比來(lái)看，隨著當(dāng)量錐角的增加，尾水管彎肘段的流速呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢(shì)，同時(shí)，該段中心兩側(cè)存在的高流速區(qū)域也在不斷減小。當(dāng)量錐角為16°時(shí)，該部位的高流速區(qū)域最小，說(shuō)明水體的流動(dòng)趨于穩(wěn)定，雖然存在局部渦帶，但由于體量較小，不會(huì)對(duì)整個(gè)尾水管的性能造成顯著的不利影響。

圖8 當(dāng)量錐角14°時(shí)尾水管流速分布

圖9 當(dāng)量錐角16°時(shí)尾水管流速分布

圖10 當(dāng)量錐角18°時(shí)尾水管流速分布

3.1.3 尾水管流線分布

利用構(gòu)建的模型對(duì)不同尾水管當(dāng)量錐角下尾水管流線分布進(jìn)行分析計(jì)算，獲得如圖11～圖13所示的尾水管流線分布云圖。由圖可知，在不同當(dāng)量錐角條件下，尾水管直錐段的水流流線以曲線為主。就其原因，主要是高速水流經(jīng)過(guò)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)入尾水管進(jìn)口后，仍然具有較大的流速，同時(shí)受到轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)的作用，流態(tài)比較紊亂。當(dāng)水流經(jīng)過(guò)直追段達(dá)到彎肘段時(shí)，流線變?yōu)橐员容^平滑的直線為主，雖然部分流線仍比較雜亂，但是整體上看比較順暢。對(duì)不同當(dāng)量錐角方案的比較可知，當(dāng)量錐角為16°時(shí)，尾水管的流線最為平順。

圖11 當(dāng)量錐角14°時(shí)尾水管流線分布

圖12 當(dāng)量錐角16°時(shí)尾水管流線分布

圖13 當(dāng)量錐角18°時(shí)尾水管流線分布

3.2 尾水管恢復(fù)系數(shù)對(duì)比分析

在混臨式水輪機(jī)組工作過(guò)程中，尾水管可以起到良好的能量回收作用，從而降低水輪機(jī)的能量消耗。由此可見(jiàn)，尾水管的恢復(fù)系數(shù)可以反映水輪機(jī)的性能。從上節(jié)的模擬結(jié)果及分析可知，當(dāng)量錐角為16°時(shí)，機(jī)組尾水管內(nèi)部流態(tài)最佳。為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述結(jié)論，說(shuō)明當(dāng)量錐角的推薦值為16°最為合適，研究中對(duì)尾水管全流道進(jìn)行整體計(jì)算。并根據(jù)計(jì)算結(jié)果獲取不同當(dāng)量錐角下的尾水管恢復(fù)系數(shù)，結(jié)果如表1所示。由計(jì)算結(jié)果可知，尾水管當(dāng)量錐角為14°、16°和18°三種不同方案相比，當(dāng)量錐角為16°時(shí)尾水管的恢復(fù)系數(shù)最大，回收能量損失最高。與14°當(dāng)量錐角相比，提高了1.14%，與18°當(dāng)量錐角相比，提高了3.43%。由此可見(jiàn)，當(dāng)量錐角為16°時(shí)，水輪機(jī)的效率最高。綜合上述，某水電站尾水管的當(dāng)量錐角推薦值為16°。

表1 尾水管恢復(fù)系數(shù)計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

本文以某水電站混流式機(jī)組為例，利用數(shù)值模擬的方法對(duì)不同當(dāng)量錐角下的尾水管水力特征進(jìn)行模擬分析，并獲得如下主要結(jié)論：

（1）受到水流紊動(dòng)作用的影響，尾水管的的肘管部位壓力分布不均，存在局部的高壓區(qū)，但當(dāng)量錐角為16°沒(méi)有明顯的局部高壓?jiǎn)栴}。

（2）尾水管彎肘段中心兩側(cè)存在的高流速區(qū)域。當(dāng)量錐角為16°時(shí)，該部位的高流速區(qū)域最小。

（3）對(duì)不同當(dāng)量錐角方案的尾水管流線形態(tài)進(jìn)行比較可知，當(dāng)量錐角為16°時(shí)，尾水管的流線最為平順。

（4）尾水管當(dāng)量錐角為14°、16°和18°三種不同方案相比，當(dāng)量錐角為16°時(shí)尾水管的恢復(fù)系數(shù)最大，回收能量損失最高。

（5）綜合計(jì)算結(jié)果，某水電站尾水管的當(dāng)量錐角推薦值為16°。