抽水蓄能电站拦污栅栅叶体型优化研究

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1、抽水蓄能电站拦污栅栅叶体型优化研究陈文学,李长河,吴一红,高建标(中国水利水电科学研究院水力学研究所,北京100038)摘要:抽水蓄能电站拦污栅的运行条件比常规水电站要恶劣得多,拦污栅破坏的机率也更高,研究不同体型栅叶的振动响应规律对拦污栅体型设计和拦污栅的安全运行具有十分重要的意义。本文在Nguyen等人研究成果的基础上,实验研究了长宽比为8的不同形状前后缘栅叶的振动响应特性,研究表明栅叶前后缘形状是影响栅叶振动强弱的主要因素,大倒角栅叶(接近流线型栅叶)既有较好的振动响应特性,又有很好的局部阻力特性,因此在拦污栅体型设计中应优先采用。关键词:抽水

2、蓄能电站;拦污栅;振动响应;优化中图分类号:TV73212文献标识码:A与常规电站的拦污栅相比,抽水蓄能电站拦污栅的运行条件要恶劣得多。例如,在发电工况时,由于尾水管中旋涡的影响,高速旋涡水流常以一定的冲角冲击尾水拦污栅,栅前平均流速较高,且流速分布不均,最大流速与平均流速之比为112～313,某些工程的栅前局部流速高达7～10mΠs1,使拦污栅脱落涡的频率加大,增加了栅叶共振的可能性。因此,与常规电站相比,抽水蓄能电站拦污栅破坏的机率更高。美国有半数抽水蓄能电站的拦污栅发生了破坏,比利时、德国、捷克等均有拦污栅发生破坏的报道2,5,且以发电工况时下

3、库拦污栅破坏为主3。所以,对拦污栅体型进行研究具有十分重要的意义。拦污栅设计时应保证其具有足够的刚度和较高的固有频率(包括流向固有频率和垂向固有频率),且有较小的局部阻力系数。生产实际中采用的垂向栅叶的长(c)宽(d)比变化较大,一般在3～122,3,4之间。栅叶与栅叶之间的间距变化也较大,间距与栅叶的宽度之比在4～11之间。如十三陵抽水蓄能电站拦污栅栅叶的长宽比为7127,栅叶间距与栅叶宽度之比为11136。Nguyen等人6研究了不同长宽比拦污栅的流态差异,并建议最好采用方形前后缘断面栅叶,他们推荐的长宽比是8～12。本文在Nguyen等人研究成

4、果的基础上首次提出了具有较小阻力系数和较好振动响应特性的接近流线型的栅叶,研究成果对拦污栅的设计和类似绕流体的设计具有指导意义。1拦污栅振动的影响因素拦污栅流激振动的振源可以分为3类:(1)栅叶后面的脱落涡,即卡门涡街;(2)湍流脉动激振;(3)自激振动。引起拦污栅破坏的主要因素是栅后的脱体涡和湍流的低频脉动。拦污栅周围的流动属钝体绕流类,其流动特征是钝体后存在脱体旋涡,受脱体旋涡的影响,拦污栅表面的作用力发生周期性的变化,拦污栅也随之而振动。当拦污栅表面作用力的周期与拦污栅的固有频率一致或接近时,引起拦污栅共振,从而导致拦污栅的破坏。湍流的脉动频率

5、较低,引起拦污栅振动的幅值也较小,但是在湍流的长期作用下,尤其是拦污栅绕流状况较差时,如来流以一定的冲角冲击栅叶时,拦污栅可能会发生疲劳破坏。因此,防止拦污栅振动破坏的关键是改善栅叶的振动响应特性,即改善栅叶的绕流特性。影响拦污栅绕流特性的主要因素有栅叶的剖面形状、栅叶的长宽比和栅叶的间距及来流条件等。收稿日期:2003206223基金项目:国家电力公司科技项目(SPKJ006207)拦污栅栅叶的剖面形状一般为矩形,其长宽比较大,一般在3～10之间。Nakagawa等9和Taniguchi等10研究表明,对于矩形剖面绕流体,当长宽比小于2时,柱体周围

6、的流态与方柱相似;长宽比在2到3之间时,流动由两种机制决定,一是柱体前缘分离剪切层形成的旋涡,该旋涡又称Bloor2Gerand旋涡11,源于Kelvin2Helmholtz不稳定性,一是柱体后缘分离剪切层形成的旋涡12;长宽比大于3(Nakamura13认为长宽比大于5)栅体作用产生大尺度旋涡结构13时,流动在柱体前缘分离,并在左右侧面再附,不稳定的剪切层与,随后在后缘分离形成卡门涡街。多柱体并列时,由于柱体相互干扰,流动比较复杂。以双并列圆柱为例,当柱体间距s与柱体直径d之比大于4时,两柱体绕流间无干扰;2≤sΠd≤4时,柱体后的旋涡同时产生,涡

7、街协调脱落,即同时在内侧脱落,或同时在外侧脱落,脱落涡的频率与单柱体时一样,柱体的升、阻力随sΠd的增加而减小;112

8、同长宽比栅叶的振动研究发现长宽比为8～12的栅叶的振动较图1栅叶剖面尺寸(单位:mm)小,并建议尽可能采用方