混流式水轮机部分负荷下尾水管压力脉动试验研究

浅谈混流式水轮机压力脉动谈混流式水轮机尾水管压力脉动[摘要]发电厂所关心的三大问题是效率、稳定性和空化空蚀。

而目前，水轮机的效率已经达到90%以上，抗空蚀性能也大幅提升，因此水轮机的稳定性显得越来越重要。

水轮机尾水管压力脉动是影响机组稳定性的主要因素之一，其不仅会引起机组的振动、出力摆动、叶片裂纹和尾水管壁撕裂等，当压力脉动剧烈时甚至会引起相近机组或厂房的共振，直接威胁到电站的安全运行。

[关键词]混流式水轮机；尾水管；压力脉动；涡带Study on the pressure pulse in the Draft Tube Of Francis Turbine Key Words:Francis turbine;draft tube;pressure fluctuation;vortex Abstract:The pressure pulse in the draft tube of Francis turbine brings on the unsteady operation for hydro_power unit.Moreover,the severe pressure pulse will threaten the safety of powerstation.Researches have unveiled that the eddy in the draft tube is the principal reason to the unit vibration.So it is important to solve the problem of pressure pulse based on the study of vortex.一、压力脉动压力脉动是相对循环压力脉动而言的，所谓压力脉动就是压力不均匀的作用于被作用对象上，在某个部位有集中或是较大的压力，且这种压力单次持续的时间不长，有可能呈现一定的周期性。

混流式水轮机尾水管流态改善的数值研究混流式水轮机是重要的水力发电设备,其复杂多变的内部流态是造成机组振动的原因之一,而尾水管作为水轮机的出水部件,管内流态的平稳对于机组安全正常运行有着积极的影响。

本文采用SST湍流模型对某混流式模型水轮机进行了全流道三维定常与非定常模拟。

针对尾水管中的复杂流态,本文提出了三种改善措施,分别是泄水锥轴向加长、主轴中心孔补水、弯肘段安装导流板。

为了研究三种改善措施在不同的水轮机运行工况起到的尾水管流态改善效果,本文选择了最优工况点,小流量工况点,大流量工况点,部分负荷工况点与高水头工况点等作为计算工况点,并且依据泄水锥的加长长度、主轴中心孔补水的补水量、弯肘段有无安装导流板,设定了不同的计算方案。

根据选择的工况与设定的方案,利用CFD模拟方法对各种方案进行了数值计算,分析了不同的改善措施在不同工况下尾水管流线的平稳程度,尾水管涡流粘度的强弱,尾水管各个监测点压力脉动幅值与频率的变化以及每个工况下采用不同尾水管改善措施后水轮机效率变化的情况。

数值计算表明:(1)泄水锥加长在最优工况与高水头工况下对尾水管流态影响不是特别明显,只对尾水管局部流体起到微弱改善效果;在部分负荷工况与小流量工况下,泄水锥加长可以改善尾水管流态,有效地降低了直锥段和弯肘段由偏心涡带引起的压力脉动幅值,从而对机组减振有了积极的影响;根据各监测点的压力脉动减小的幅度来说,该水轮机将泄水锥加长至与转轮下环齐平的位置效果最佳。

(2)主轴中心孔补水在考虑补水量引起的容积损失时,在最优工况下随补水量的增加水轮机效率近似呈线性规律下降,说明过多的补水量会减小机组的出力。

经分析尾水管在不同补水量下的横截面压力、各监测面的涡流粘度、尾水管空腔涡带,得出在不同的工况合理补水量也不相同,很多工况的合理补水量都要超过2.0%Q,补水量太小起不到补水效果,补水量太大会影响机组效率,总体而言当补水量Qad=2.0%Q时达到补水效果。

混流式水轮机尾水管内部流动数值模拟研究机组在部分负荷工况下,尾水管内部的偏心涡带产生的不稳定的压力脉动是导致机组运行时出现振动的重要因素,如何有效的处理尾水管内部偏心涡带导致的机组不稳定运行是如今流体机械学科一个重要的研究方向。

因此,需要在一定程度上需要对尾水管内部偏心涡带采取有效的改善措施方案。

查阅大量参考文献并基于前研究学者的成果分析,本论文主要采用CFX软件对某电站机组尾水管内部流动在部分负荷工况下进行定常数值模拟以及非定常数值模拟研究分析,具体进行了以下的工作:1)以某电站水轮机为研究对象,在数值模拟研究中采用3种不同的负荷工况,分别是部分负荷工况、接近最优负荷工况以及大流量工况。

通过CFD结果文件的处理,分别提取三个不同流量工况下的压力分布图、速度矢量图、涡带图以及尾水管流线图。

将设立在尾水管内部的6个监测点进行数据处理,得到相对于的压力脉动时域图和频域图。

依据水轮机组定常数值模拟计算结果能够得到:水轮机组在部分负荷工况下,尾水管内部水流出现了偏心从而在尾水管内部形成了偏心旋转涡带,且尾水管内部水流流线不稳定。

机组在接近最优工况时,尾水管内部有条很细像圆锥体状的涡带,且尾水管内部水流流线很均匀、很稳定。

机组在大流量工况运行时,尾水管内部水流呈现柱状涡。

2)对混流式水轮机尾水管内部流动做出改善,提出以下三种不同的改善方案:加长泄水锥40mm、50mm、60mm(12.31%、15.38%、18.46%泄水锥加长度)、加入轴向干扰水流(1%、2%、3%、4%、5%补水量)、加长泄水锥的同时补入轴向干扰水流。

模拟这三种方案对尾水管内部流动的影响。

模拟得出泄水锥的加长并没有改变尾水管压力脉动频率,但降低了尾水管的压力幅值。

模拟研究发现加长泄水锥15.38%时,对降低尾水管的涡带脉动最为明显,达到提高机组稳定性的作用。

此外,对机组展开了不同补水量的定常以及非定常模拟研究计算,研究表明补入3%的轴向干扰水流能够较好的改善尾水管内部水流的流态。

尾水管压力脉动浅析(美) Falvey H T[摘要] 尾水管是水轮机的组成部份，它的性能会阻碍机组的效率。

混流式水轮机尾水管中的不稳固流动，即所谓的压力脉动，会引发功率的摆动和振动。

了解这种脉动有助于对其进行有效地预防。

[关键词] 混流式水轮机；尾水管；压力脉动混流式水轮机过流部份由蜗壳、固定导叶、导叶、转轮和尾水管组成。

图l为这些部件的组合图。

蜗壳、固定导叶和导叶引导水流以最小的能量损失进入转轮。

导叶操纵通过水轮机的流量。

尾水管呈扩散形，用来增加水轮机的净水头，从而取得更多的能量。

图l 由蜗壳、固定导叶、导叶、转轮和尾水管组成的混流式水轮机装置(尾水管的性能会阻碍机组的综合效率)水轮机的功率等于转轮转换的动量矩。

在最高效率点，离开转轮的动量矩理论上应等于零，即水流流出转轮进入尾水管时是无旋的。

但事实上，在最高效率点，水流具有小的环量，但是这种小的环量引发的转轮效率损失比由尾水管效率增加的补偿要大。

部份负荷时，进入尾水管的水流和转轮的旋转方向相同；过负荷时，水流的旋转方向那么和转轮相反。

若是进入尾水管的环量过大，就会进展成不稳固的尾水管压力脉动。

尾水管压力脉动在部份负荷和过负荷工况都能发生，它会引发压力脉动，从而致使功率摆动、噪声、压力钢管共振和振动。

文中，作者试图提供一篇有关尾水管压力脉动的近代情形综述。

1969年前，对尾水管压力脉动仅明白两点：第一，压力脉动是由尾水管中螺旋形涡带引发的；第二，压力脉动预期的频率和有关现象能够用一个公式来计算。

那个公式是由AC(Allis-Chalmers)公司的实验工程师Rheingans W I提出的。

cnf (1) 式中f——压力脉动的频率，Hz；n——水轮机转速，r/s；c——3．2～之间的某一数值。

1969年，密苏里-哥伦比亚大学教授Cassidy J J，从事一项丹佛垦务局的福特基金项目，旨在加深对尾水管压力脉动的熟悉。

他将尾水管压力脉动现象、频率和振幅与水轮机流量和几何形状参数联系起来，实验是利用空气作为介质进行的。

混流式水轮机尾水管涡带的数值模拟及压力脉动预测随着混流式水轮机的单机容量和结构尺寸朝着巨型化发展,其在稳定运行性方面出现的问题越来越突出。

混流式水轮机在偏离设计工况特别是在部分负荷下运行时,转轮出口的旋流会在尾水管中产生螺旋状涡带,该涡带引起的压力脉动是引起水轮机水力不稳定的最主要原因。

到目前为止评价水轮机水力稳定性的主要手段仍是进行模型压力脉动试验,在设计阶段还不能有效预测控制所设计水轮机的尾水管涡带引起的压力脉动。

如何在设计阶段能有效控制所设计水轮机的尾水管涡带引起的压力脉动,变事后评估为设计过程中控制是提高水轮机的水力稳定性的有效途径。

因此有必要借助数值模拟方法,研究混流式水轮机尾水管流道的几何参数、运行工况与尾水管涡带产生的关系,探索其尾水管涡带压力脉动的预测计算方法,进一步研究用于在混流式水轮机设计过程中优化流道设计,及指导电站运行过程中减轻尾水管涡带影响和扩大稳定运行工况范围。

本文结合某高水头水电站混流式水轮机转轮增容改造过程中的转轮设计方案分析的需求,在分析前人关于混流式水轮机的流场、尾水管涡带以及尾水管涡带引起的压力脉动的机理研究的基础上,采用水轮机全流道非定常湍流数值模拟方法模拟典型工况下混流式水轮机内部流场。

基于三维全流道非定常湍流模拟来探索尾水管涡带的可视化、预测尾水管涡带的频率及尾水管涡带引起的低频压力脉动的预测分析。

探讨尾水管压力脉动中转轮流出的旋回水流与尾水管的相互干涉作用,以及尾水管涡带形成与转轮叶片几何形状及运行工况的关系。

根据尾水管中非定常湍流模拟计算结果提取压力的时域信号,通过FFT进行频域分析来分析尾水管中的典型工况下压力脉动特点。

本文探索通过基于混流式水轮机进行全流道定常和非定常湍流数值模拟来预测分析尾水管涡带及其引起的压力脉动,能够较真实地反映不同工况下尾水管涡带及其引起的压力脉动的特征,为在水力设计阶段能有效预测所设计水轮机的尾水管涡带引起的压力脉动奠定一定理论基础和尽可能扩大无涡区的运行范围提供一条基本可行的技术途径。

高水头混流式水轮机尾水管流场测试研究高水头混流式水轮机尾水管内部流场流动非常复杂,对机组的运行稳定性影响也很大。

虽然采用CFD技术已能在最优工况附近较好地数值模拟计算出尾水管中三维流场分布,但是对偏离最优工况的大部分运行工况的流场数值模拟结果误差还是较大。

为更好的指导高水头混流式水轮机的流道优化设计,以及验证和修正流场数值模拟方法,需要采用先进测试技术对多工况下尾水管的流场进行测试分析研究。

本课题以某高水头混流式水轮机模型试验为基础,针对尾水管内部流场流动测试要求,采用激光多普勒测速技术(LDV)对其锥管段的内部流场开展测试分析,得到了小开度工况、大开度工况、最优工况的尾水管测试半径上的流速分布和湍流强度分布。

根据流速分布推算出涡带的范围、变化特性以及与速度脉动的关系。

以流速测试结果作为进口边界条件,及测试断面作为尾水管进口,对尾水管流场进行数值模拟,并对各工况下的尾水管内部流线分布与压力分布进行了分析,与LDV测试数据相结合,来探索不同工况参数下尾水管内流场的流动特性。

通过对尾水管的流场测试和数值模拟分析,得到的主要结论如下:(1)测试半径中心区域的轴向速度和周向速度变化规律良好,受边界层的影响,近壁区域的轴向速度的衰减趋势比周向速度更为明显;通过测试流量与实际流量对比得出最大相对误差1.826%;轴向与周向的湍流强度在同一数量级,但各工况的周向湍流强度高于轴向湍流强度,湍流强度受涡带的影响较为明显。

(2)在小开度工况出现的空化涡带和大开度工况的柱状涡带。

小开度工况下的尾水管空化涡带范围在0~0.4R之间,大开度工况下的尾水管柱状涡带范围在0~0.25R之间;在小开度工况下,瞬时周向速度在中心区域的脉动呈强烈的周期性,随着测点向边壁移动,瞬时周向速度脉动周期逐渐出现了双波峰,并最终离开涡带的影响区域而脉动减弱。

(3)对小开度工况下瞬时周向速度脉动频域图分析得到的结果表明,各测点的瞬时周向速度脉动频率的算术平均值为4.65Hz,推算此频率即是小开度工况下尾水管锥管段涡带的变化频率,约为转频16.7Hz的0.28倍。