运行工况对水轮机活动导叶表面泥沙浓度分布的影响

梁 柱，赵玉忠，王昌林，谈泰权，陈佳瑞，卢加兴，刘小兵

(1.国网四川省电力公司映秀湾水力发电总厂，四川 成都 611830；2.西华大学流体及动力机械教育部重点实验室，四川 成都 610039)

随着数值模拟技术的发展，借助计算机数值模拟已经可以相对准确的预测多相流场的流动规律和特点，这使得CFD数值分析技术已然成为了研究水力机械内部泥沙磨损的重要手段[1- 4]。黄剑锋等[5]采用多面体网格技术和滑移混合多相流模型对水轮机进行数值模拟，其结果表明固液两相湍流场会导致机组振动增强并加剧泥沙磨损。Padhy等[6]研究了泥沙颗粒的大小、硬度、水流速度等对水轮机性能和效率的影响，并提出了工程措施。刘小兵等[7]通过数值模拟研究，得到水轮机过流部件表面泥沙磨损情况。鲍崇高等[8]通过研究水轮机过流部件的4种典型材料，得到过流部件材料的冲蚀磨损腐蚀及其交互作用。常近时等[9]对水泵与水轮机的空化与空蚀进行了试验，得到了不同因素对水力机械运行时空化的影响。易艳林[10]等从试验研究和数值模拟、磨损影响因素及磨损预估模型3个方面阐述了国内外对水轮机泥沙磨损问题的研究成果。

为减少检修周期，维护机组安全稳定运行，增加电站经济效益，本文通过数值模拟对不同工况下活动导叶泥沙浓度分布进行研究，为电站水轮机活动导叶的设计安装提供参考。

1 数值计算模型

本文采用标准k-ε模型[11-13]，对映秀湾水电站水轮机固液两相流动进行计算，方程如下：

液相连续方程

(1)

式中，φ为体积分数；t为时间；x为坐标分量；V为速度；vt为湍流涡流运动黏性系数；下角标f为液相，p为固相；下角标i，j为张力坐标。

固相连续方程

(2)

液相动量方程

(3)

式中，Sf为定义的源项。

固相动量方程

(4)

式中，Sp为定义的源项。

湍动能k方程

(5)

式中，下角标k为张力坐标；GK为平均速度梯度所产生的湍流动能；Gb为浮力产生的湍流动能；YM为过渡的扩散产生耗散率的贡献；Sk为定义的源项。

湍动能扩散率ε方程

(6)

式中，σε≈1.3；C1ε≈1.44；C2ε≈1.92；C3ε≈1.2；σk≈1.0；Sε为定义的源项。

2 数值计算及结果分析

2.1 研究电站水文资料

映秀湾水电站位于四川省汶川县境内的岷江上游左岸，该河段属于山区河流，河流多年平均含沙量为0.72 kg/m3，多年平均过机含沙量为0.33～0.37 kg/m3[14]。在经历了汶川5.12地震和8.14特大泥石流自然灾害后，尤其在汛期时大量的泥沙颗粒进入水轮机组导致过流部件表面因冲刷而产生破坏，这不仅对运行人员和水轮机机组的安全造成威胁，还会引起机组效率和稳定性下降。电站水轮机装机数为3台，单机容量45 MW，额定流量94.1 m3/s，额定水头54 m，额定转速125 r/min[15]。

2.2 水轮机计算几何模型及网格划分

本研究采用UG对各过流部件进行三维建模，水轮机内部过流通道水体如图1所示。利用ICEM对模型进行四面体非结构化网格划分并做无关性检验，最终水体域总网格数为2 465万，其中蜗壳网格数为22万，固定导叶网格数为25万，活动导叶网格数为26万，转轮网格数为122万，尾水管网格数为52万。网格质量最小为0.35，y+值小于52，网格质量满足计算要求。

图1 水轮机过流部件三维水体示意

2.3 计算边界条件

本研究对映秀湾水电站所采用的HLA982a-LJ- 418型水轮机活动导叶在出力P1=11.4 MW(开度为97.2 mm)、P2=42.8 MW(开度为252.8 mm)工况下的磨损情况进行研究。利用ANSYS-CFX软件进行数值模拟，其中出力为P1时进口速度为2.13 m/s，出力为P2时进口速度为5.13 m/s，出口压力均为60 247 Pa，沙粒重力加速度均为9.81 m3/s，沙粒密度均为2 650 kg/m3，沙粒中值粒径均为0.21 mm，泥沙浓度均为3.27 kg/m3，泥沙体积分数均为0.001 233 9，近壁面区域采用标准壁面函数，流道壁面固体为无滑移条件。

2.4 计算结果及分析

对该电站水轮机在出力为P1=11.4 MW、P2=42.8 MW，含沙量为3.27 kg/m3的工况下各过流部件沙水流动进行数值计算。

由图2导叶间泥沙速度分布可知，不同出力工况下泥沙绕流速度变化规律相似，活动导叶头部泥沙绕流速度随出力的增加而变大。同一工况下活动导叶背面泥沙绕流速度均先减小后增大。不同出力工况，活动导叶背面泥沙绕流速度较为平稳。活动导叶工作面泥沙绕流速度在出力为P1时沿弦线方向总体呈增大趋势，当出力为P2时沿弦线方向呈减小趋势。

图2 导叶间泥沙速度分布示意

图3 P1=11.4 MW活动导叶表面泥沙分布

图4 P2=42.8 MW活动导叶表面泥沙分布

图3、4为活动导叶表面泥沙体积分数分布情况，由图可知不同工况条件下活动导叶背面和工作面泥沙分布并不一致。泥沙颗粒受重力作用，同一出力工况在活动导叶工作面及背面从顶部至底部泥沙颗粒逐渐增多。在活动导叶工作面底部有泥沙沉积，沉积的部位主要集中在头部和尾部，且随着出力减小泥沙沉积逐渐增多。而泥沙在活动导叶背面尾部沉积相较于头部更为严重。出力为P1时，泥沙在活动导叶背面尾部泥沙体积分数明显大于头部。由文献[16]可知水轮机过流部件表面泥沙体积分数越大，则受泥沙颗粒撞击的次数越多，从而引起过流部件表面磨损更为严重。因此在试验及电站运行过程中应更加关注活动导叶头部的磨损。

3 结 论

本文通过对映秀湾水电站水轮机在泥沙含量为3.27 kg/m3时不同出力工况下进行沙水流动数值模拟，分析了活动导叶表面泥沙浓度在不同出力条件下的分布情况，得出以下结论：

(1)活动导叶头部泥沙绕流速度及泥沙体积分数均随着水轮机出力的增加而逐渐增大，由于泥沙颗粒受重力因素的影响，导致底部有泥沙沉积，且头部和尾部沉积较为严重。

(2)水轮机出力的增加对活动导叶工作面泥沙分布影响较大，且工作面的泥沙体积分数大于背面。

(3)鉴于该电站水轮机活动导叶泥沙分布情况，应避免该水轮机在出力过大条件下运行，并建议对活动导叶头部及尾部表面进行喷涂防护。