混流式水轮机改造前后转轮内固液两相流数值分析

廖 姣,张文明,张 兴

(西华大学能源与动力工程学院,四川成都610039)

混流式水轮机改造前后转轮内固液两相流数值分析

廖 姣,张文明,张 兴

(西华大学能源与动力工程学院,四川成都610039)

为了探究混流式水轮机改造前后转轮泥沙磨损情况,采用固液两相流模型对某电站改造前后的混流式水轮机进行全流道数值模拟,分析不同工况下转轮叶片表面泥沙分布,转轮叶片表面固液两相速度差,以及水轮机效率。结果表明：小流量工况下泥沙磨损最严重；水轮机改造后,叶片表面泥沙体积分数下降,固液两相速度差减少,泥沙磨损减弱,水轮机效率较改造前提升了5.5%。该研究可为水轮机改造提供一定的参考。

泥沙；数值模拟；改造；混流式水轮机

0 引 言

目前我国在运行的大部分老水电站,由于当时技术水平和制造水平的落后,导致出现机组过流部件发生严重的磨损、主轴密封泄露、机组运行性能指标落后等现象,电站改造问题亟待解决[1]。近年来,基于数值试验的水轮机改造技术已经得到了广泛的运用,并取得了很好的结果[2]。Hyen-Jun等通过对改造后水轮机进行全流道三维定常计算,分析水轮机内流场特性,将数值试验与模型试验结果进行对比,发现结果吻合[2]。罗丽等通过对改造前后水轮机进行全流道三维非定常湍流数值模拟,对比分析改造前后水轮机的空化性能[3]。

由于我国河流泥沙含量较高,水轮机泥沙磨损问题较为突出,泥沙磨损对水电机组的运行性能有很大影响,目前国内针对改造前后水轮机泥沙磨损问题的对比分析相对较少[4]。本文在以上研究的基础上,针对四川省岷江支流某电站机组技术改造工程,对改造前后水轮机进行固液两相流分析,分析改造前后水轮机泥沙磨损情况,为水轮机改造提供一定的参考。

1 计算模型与方法

1.1 改造基本情况

某水电站位于四川省岷江某支流,由于长短叶片式转轮可以增加水轮机高效率区,空化系数小,且运行稳定性高,改造工程将常规叶片式转轮改为长短叶片式转轮,水轮机改造前后参数见表1。改造前转轮为常规叶片式,叶片数为17个,改造后转轮为长短叶片式,型号为A542,包括15个长叶片和15个短叶片。考虑短叶片出水边受到科氏力的影响,将短叶片的出水边略靠近前一个长叶片,这样可以减少由于过多的速度差而引起的水力损失[5]。

表1 水轮机改造前后参数

几何模型如图1所示,为保证湍流充分发展,使其更接近真实流场的边界条件,对蜗壳进口做了适当延伸[5]。

图1 全流道三维模型

1.2 数值计算方法

全流道采用适应性强的非结构化四面体网格,改造前全流道计算域单元总数455万个,网格节点数76万个；改造后全流道计算域单元总数487万个,网格节点数82万个。

在进行流体流动研究过程中,采用基于有限元的有限体积法对计算域进行离散,求解不可压缩流体的时均N-S方程。数值上取泥沙密度为2 650 kg/m3。对于液体相,采用RNGk-ε模型；对于固体相,采用离散相零方程模型[6]。根据电站运行的实际情况,选择来流泥沙颗粒直径d=0.01 mm,泥沙体积分数α=0.1%,对不同工况下,改造前后水轮机转轮进行数值分析。

1.3 边界条件

本文主要根据电站实际情况,选取具有代表性的工况进行计算,工况参数见表2。水轮机进口采用质量流量进口,出口采用压力出口。壁面边界条件需分开定义,液体相采用无滑移边界条件,固体相采用自由滑移边界条件,流体内近壁区采用标准的壁面函数法,转轮与活动导叶、尾水管之间的动静耦合交界面设置为Frozen Rotor Stator。进行单相计算以后,将其计算值作为多相计算域的初始条件。

表2 工况参数

2 计算结果与分析

2.1 改造前后转轮叶片表面泥沙分布情况

图2给出不同工况下改造前后水轮机转轮叶片表面泥沙分布图。观察可以发现,改造前的常规叶片水轮机泥沙分布总体表现不均匀,经过活动导叶绕流后的水流冲击到高速旋转的转轮叶片时,会在转轮叶片头部形成强烈的撞击,致使叶片进水边泥沙含量较高,由于泥沙在重力作用下有向下运动的趋势,导致整个叶片靠近下环处泥沙体积分数较大,而且越靠近出水边泥沙体积分数越大。改造后的长短叶片水轮机转轮长叶片表面泥沙分布不均匀,但是相对改造前有一定的改善,泥沙分布规律和常规叶片基本一致,在叶片进水边和叶片出水边靠下环处泥沙体积分数较大,叶片靠近下环处泥沙体积分数较大,而且越靠近出水边泥沙体积分数越大,由此可见推测,叶片进水边和出水边是泥沙磨损较为严重的区域。改造后叶片表面泥沙体积分数整体有所下降,表明改造后泥沙磨损现象得到了很好的改善。观察改造前不同工况的泥沙分布图,可以发现,小流量工况下泥沙含量最大,且泥沙分布不均匀性更强,额定工况下泥沙含量最小,且泥沙分布最均匀,表明小流量工况下泥沙磨损最严重。

图2 各工况下改造前后水轮机转轮叶片表面泥沙分布

2.2 改造前后转轮叶片表面泥沙速度分布

图3给出改造后长叶片额定工况下的泥沙颗粒速度分布图,由图示可以看出,水轮机转轮叶片表面泥沙颗粒速度从进水到出水均匀降低,等值线近似与进水边平行,速度场没有明显的畸变。为了更加具体的分析泥沙对叶片表面磨损情况,在叶片工作面中部等参数选取10个数据取样点,如图3所示。

图3 叶片表面泥沙速度

水流携带泥沙在转轮中运动的时候,由于惯性力作用,导致泥沙和水流的速度不一致,产生相对滑移,泥沙和水流的速度差的绝对值ΔV是转轮叶片表面泥沙分布不均匀的主要原因,转轮叶片表面两相速度差将直接决定泥沙颗粒对壁面的磨损能力,间接反映出泥沙颗粒对叶片表面的磨损情况[9]。图4给出不同工况(小流量工况20 MW,额定工况40 MW,大流量工况44 MW)下转轮叶片表面取样点两相速度差曲线图,可以发现,改造前后叶片速度差分布趋势基本一致,速度差从叶片进水边到叶片出水边出现先减小后增大的趋势,在叶片进水边和叶片出水边处速度差较大,表明泥沙对叶片进水边和出水边磨损较为严重。小流量工况下叶片表面两相速度差最高,额定工况下叶片表面两相速度差最低,表明小流量工况下叶片泥沙磨损最严重。对比改造前后速度差可以发现,各工况下改造后的叶片表面两相速度差均比改造前小,表明改造后改善了水流的稳定性,提高了转轮抗磨损能力。

图4 不同工况下转轮叶片表面取样点两相速度差

2.3 改造前后水轮机外特性分析

为了分析改造对水轮机效率影响,表3给出额定工况下,改造前后水轮机处于清水介质和含沙水介质中的效率,以及各水轮机清水介质中与含沙水介质中的效率差。由下表可知,清水介质条件下,改造后水轮机效率有显著提升,提高了4.9%左右,泥沙介质条件下,改造后水轮机效率比改造前提升了5.5%,表明改造提升了水轮机效率。改造后泥沙颗粒存在所引起的效率降有所减小,说明改造后泥沙对水轮机效率影响变小,增加了水轮机的抗泥沙能力。

表3 改造前后泥沙对水轮机效率的影响

3 结 语

本文通过建立固液两相流体模型,对不同工况下,改造前和改造后水轮机转轮叶片表面泥沙分布、转轮叶片表面固液两相速度差、水轮机效率进行分析,得到如下结论：

(1)改造前后转轮叶片表面泥沙分布规律一致,在叶片进水边和出水边靠下环处泥沙浓度较大,改造后的长短叶片式水轮机叶片表面泥沙分布较改造前均匀,且泥沙体积分数整体有所下降,尤其是对小流量工况下的泥沙分布有很好的改善。

(2)泥沙颗粒速度从进水边到出水边匀降低,等值线近似与进水边平行。在叶片进水边和出水边处固液两相速度差最大,是叶片磨损最严重的部位,小流量工况下转轮叶片各部位固液两相速度差比大流量工况大,额定工况下各部位固液两相速度差最小。

(3)改造后水轮机效率有明显的改善,泥沙介质条件下,改造后水轮机效率比改造前提升了5.5%,减小的泥沙对水轮机效率的影响。

[1]赖喜德, 吉雷, 李庆刚, 等. 基于数值试验的水轮机改造新方法[J]. 水利水电技术, 2005, 36(6): 81- 84．

[2]CHOI H J. ZULLAH M A, ROH H W, et al. CFD Validation of performance improvement of a 500 kW Francis turbine[J]. Renewable Energy, 2012(6): 111- 123．

[3]罗丽, 李景悦. 混流式水轮机改造前后内部流动特性对比分析[J]. 水电能源科学. 2016, 34(4): 139- 142．

[4]张广, 魏显著. 泥沙浓度及粒径对水轮机转轮内部流动影响的数值分析[J]. 农业工程学报, 2014, 30(23): 94- 100．

[5]朱李, 赖喜德. 长短叶片混流式水轮机流动特性分析[J]. 中国农村水利水电, 2015, (6): 162- 165．

[6]汪家琼, 蒋万明, 孔繁余, 等. 基于Particle模型固液两相流离心泵流场数值模拟[J]. 排灌机械学报, 2013, 31(10)： 847- 850．

(责任编辑 高 瑜)

Numerical Analysis of Solid-liquid Two-phase Flow of Runner Before and After Reformation of Francis Turbine

LIAO Jiao, ZHANG Wenming, ZHANG Xing
(School of Energy and Power Engineering, Xihua University, Chengdu 610039, Sichuan, China)

In order to gain the sediment erosion of Francis turbine before and after reformation, full passage numerical simulation of Francis turbine before and after reformation are carried out based on flow model of solid-liquid two-phase. The sediment distributions, velocity difference between solid and liquid phases of runner blade surface and turbine efficiency are analyzed under different operating conditions. The results show that, (a) the most serious sediment erosion occurs under small flow condition; (b) after reformation, the volume fraction of sediment on runner blade surface is decreased, the velocity difference between solid and liquid phases is decreased, the sediment erosion is reduced, and the efficiency of turbine is increased by 5.5%．

sediment; numerical simulation; reformation; Francis turbine

2016- 09- 10

国家自然科学基金资助项目(51379179);西华大学研究生创新基金资助项目(ycjj2016198)；流体及动力机械四川省科技创新研究团队(2011JTD0016)

廖姣(1993—),女,四川广安人，硕士研究生，研究方向为流体机械数字化设计与制造．

TV734.1

A

0559- 9342(2017)05- 0073- 03