中低比转速混流式水轮机空化与水力振动分析-论文.pdf

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1、第32卷第8期水电能源科学Vol_32No．82014年8月WaterResourcesandPowerAug．2014文章编号：1000—7709(2014)08—0145—04中低比转速混流式水轮机空化与水力振动分析唐巍，张昌兵，李雷(四川大学水利水电学院，四川I成都610065)摘要：针对中低比转速水轮机空化、振动问题比较突出的现象，以大桥电站水轮机为例，采用分离涡模型(DES)对其进行了三维CFD计算，得到了活动导叶、转轮和尾水管内的压力分布、速度分布及压力脉动特性。结果表明，转轮空化发生在叶片出水边靠近下环的区域，与实际情

2、况相符；机组在高水头、大开度工况下，振动更突出，振动频率为机组旋转频率的整数倍，表明振动主要由转轮造成，而非尾水管涡带引起的。关键词：混流式水轮机；比转速；分离涡模型；水力振动；空化中图分类号：TV136．1；TK730文献标志码：A度，m／s；t为时间，S；、分别为第一、第二粘性系1工程概况数；p。为水流密度，kg／m。；为压强，Pa。大桥水电站位于四川省冕宁县境内的安宁河2．2相对坐标系下的控制方程上游，距县城7km，装机容量4×22．5Mw，水水轮机转轮中的水流在相对坐标系下连续方轮机型号HLD126一LJ145，额定转速60

3、0r／min，程和动量方程分别为：W===0(3)吸出高度一6．2m，最高水头187．0m，最小水头3W+V(WW)+V130．0m，设计水头152．0m，单机设计流量18．5—一V2W+_dtpom。／s，计算比转速168．86。该电站自2004年投f+)V(VV)一(叫r)一2wW(4)运以来，机组运行极不稳定，水轮机空化空蚀、振＼po／动问题突出，平均大修周期约2年，2～3年就需式中，w为相对速度，m／s；为旋转角速度，rad／s；更换新转轮_1]，严重影响了电站的正常生产。因r为距旋转中心线的半径，m；∞(r)为由旋转运此，

4、本文采用紊流计算模型——分离涡模型动引起的离心力；2coW为哥氏力。(DES)¨2]对水轮机全流道三维流场进行计算，2．3基于S—A模型的DES方法获得了水轮机三维流场及压力脉动数据，以此分基于Spalart—Allmaras模型(简称S—A模型)析了中低比转速混流式水轮机空化发生位置及水的雷诺平均应力(RANS)模型，核心思想是引入力振动形成机理，旨在为类似水轮机设计、制造和中间变量，通过求解的输运方程获得紊流运动粘性系数中间变量的输运方程为：技术改造提供技术参考。一Cbl§⋯f卜{v[(+2数学模型)]+Cb2(Vv)。}(5)

5、2．1绝对坐标系下的控制方程其中S—fS+fz；S一~／2n水轮机中的水流可视为不可压缩流体，压力管道、蜗壳和尾水管中的水流在绝对坐标系下连n一号(一爰)；续方程和动量方程_6分别为：V一0(1)厂『1+LC2d—=-V_+V(VV)+Vp—V2V+tpo1．1+CbCwl———1一——(v+)VcVV)(2)g—r+C2(一r)；r一；1—0．1355式中，V为哈密尔顿算子；V为水流运动的绝对速S收稿日期：2013—12—06，修回日期：2014—01—06作者简介：唐巍(1988一)，男，硕士研究生，研究方向为水电站水力学及动力

6、系统，E-mail：261060632@qq．CON通讯作者：张昌兵(1969一)，男，博士，副教授，研究方向为水力机械及水动力学，E—mail：scuzcb@163．com·146·水电能源科学2—0．6220；一2／3；一0．41fY≤30C2—0．3；c3—2；C2—5一1{ln()30≤≤400‘¨式中，S为中间张量；S为张量；力，为涡量；、均L为经验系数；fz、f。、C、f均为系数；d为距壁其中=u／u；“一V／}77p；一／v面的距离；g、r为均为中间量；为粘性系数比。式中，Y为无量纲距离；尼为经验系数，尼一0．40；求

7、得中间变量后，在S—A紊流模型中，紊流E为壁面粗糙度系数，对水力光滑面取9．0；为粘性系数计算公式为：平均流速；“为摩阻流速；r为壁面摩擦切应力；一f3v(6)p为密度；Y为实际距离。在DES方法中，将S—A模型中的壁面距离d替换为d，并定义d为：4计算结果与分析d—min(d，CDEszS)(7)计算域包括导水机构、转轮、尾水管，见图1。△一max(△，△，△)(8)采用非结构化网格对计算域进行网格划分，对转式中，CDE为模型常数，对基于S—A模型的DES轮、尾水管直锥段等关键部件采用细网格，对尾水方法，CDEs一0．65；△为网

8、格单元最大尺度；△、管扩散段等部件采用粗网格，从细网格到粗网格△、△2分别为网格单元在z、Y、z方向上的尺度。之间采用均匀过渡，整个计算域共划分为150×在近壁区域，d