基于全流道非定常流动计算的轴流式水轮机尾水管压力脉动分析

基于全流道非定常流动计算的轴流式

水轮机尾水管压力脉动分析

姬晋廷,郑小波,罗兴　

(西安理工大学水利水电学院,西安710048)

摘　要:以轴流式水轮机全流道三维非定常湍流数值模拟为基础,对轴流式水轮机尾水管内的非定常流场进行了分析,研究了尾水管内涡带的形态,对尾水管压力脉动的幅值和频率特点进行了分析。结果表明,大流量工况时,在尾水管内形成了一个与转轮旋转方向相反低压涡带,引发了低频压力脉动,这种低频压力脉动是水轮机中压力脉动的主要脉动源之一。

关键词:水力机械;非定常流动;轴流式水轮机;压力脉动;尾水管涡带

中图分类号:TK 73012文献标识码:A

Analysis of pressure fluctuation in draft tube based on simulation of

unsteady flow in whole passage of axial flow turbine

J I Jinting ,ZHE NG X iaobo ,LUO X ingqi

(School o f Water Resources and Hydroelectric Engineering ,Xi ’an Univer sity o f Technology ,Xi ’an 710048)

Abstract :Based on 32D unsteady turbulent flow numerical simulation of the whole passage in axial flow turbine ,the unsteady flow field in draft tube is analyzed in this paper.The shape of v ortex rope in draft tube is studied.The pressure fluctuation in draft tube is analyzed by the characteristics of am plitude and frequency.The result shows that a v ortex rope with low pressure comes into draft tube under large discharge condition.The rotation direction of the v ortex rope is opposite to the rotation direction of the runner.The v ortex rope caused by pressure fluctuation with low frequency is one of the main vibration s ources in hydraulic turbine.

K ey w ords :hydraulic machinery ;unsteady flow ;axial flow turbine ;pressure fluctuation ;v ortex rope in draft tube 收稿日期:2008208218

基金项目:国家自然基金重点项目(90410019);国家自然基金项目(50809054)

作者简介:姬晋廷(1963—),男,博士研究生.E 2mail :jijinting @ 0　前言

水轮机运行稳定性一直是困扰水电厂电力生产的难点问题之一[1～3]

,水轮机稳定性的好坏,直接影响到水电厂能否稳定乃至安全生产,如何保证水轮机运行稳定是目前水电厂亟待解决的问题。导致水力机组运行不稳定的原因非常复杂,其中水力因素主要有4个方面:尾水管涡带、水轮机迷宫止漏装置中的压力脉动、卡门涡、叶片出口边附近的脱流。其中尾水管涡带是机组振动最主要的原因,其危害性也最大。分析尾水管涡带引起压力脉动的作用形式及机理对研究水轮机稳定性是十分重要的。

目前,水轮机尾水管涡带的研究主要在三个方面开展:理论研究,试验分析和数值模拟(CFD )。计算机技术迅速发展以来,虽然理论工作和实验研究的重要性未变,但是CFD 在水力机械技术上的应用已经蓬勃兴起。作为实验分析的有力补充或是用来独立数值试验CFD 越来越显示出强大的功能和特有的优越性,数值模拟正在以

强劲的势头作为主要研究手段之一逐渐占据水力机械行业的主导地位。Shyy 和Braaten 最早应用k 2

ε模型的湍流计算方法对水轮机尾水管的稳态流动进行研究,从技术上验证了k 2

ε模型在尾水管流动计算的可行性[4]。Wang 等学者应用数学上的涡运动理论[6,7]建立了一种简单而可行的涡模型来预估压力脉动的问题,并进一步用

三维涡丝模型取代面涡模型,计算了尾水管直锥段的流速场,发展了离散涡法在尾水管中的应用方法。我国科学

第28卷第2期

2009年4月水　力　发　电　学　报JOURNA L OF HY DROE LECTRIC E NGI NEERI NG V ol.28　N o.2Apr.,2009

界许多工作者也多角度、变思维、深层次地对尾水管水流流动数值模拟进行了研究[8～10]。以轴流式水轮机全流道

三维非定常湍流数值模拟为基础,对轴流式水轮机尾水管内的非定常流动进行了分析。本文以全流道三维非定常湍流数值模拟为基础,开展了轴流式水轮机尾水管内的非定常流动的数值研究,对尾水管内涡带的形态、尾水管压力脉动的幅值和频率特点进行了分析。

图1　几何模型Fig.1　G eometric m odel

1　流动分析模型

本文采用基于雷诺时均的N 2S 方程和k 2

ε紊流模型,采用有限体积法和非结构化网格,对包括蜗壳、导叶、转轮和尾水管在内

的轴流式水轮机全流道内部的三维非定常流动进行了数值计算。

轴流式水轮机全流道的几何模型见图1。

对计算几何模型采取分块网格划分的方式,将全流道分为五

个部分,分别是蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮和尾水管;在叶片

区域采用局部加密技术。考虑到转轮与活动导叶以及尾水管进口

之间的动静干涉问题,本文采用滑移网格模型,在转轮进口前和转

轮出口后形成两个网格滑移面,以模拟动静干扰的流场。图2　计算工况点Fig.2　Operation condition of calculation

2　计算条件

本文以国内某电站的轴流式水轮机为模型进行计算。

根据轴流式水轮机的特点,选定图2所示的四个工况为计

算工况。流动分析的时间步长为1Π180转轮旋转周期,ΔT

=0100467s ,每个时间步长里转轮旋转2度,计算时间总长

共4个转轮旋转周期。

3　计算结果与分析

311　尾水管涡带的形态

以工况4为例,图3显示了一个转轮旋转周期内尾水

管进口在6个不同时刻的压力分布变化情况;图4显示了

尾水管内-01025MPa 等压面在一个周期内的变化情况;图

5给出了一个周期内尾水管直锥段和弯肘段交界面上的流线分布。

根据非定常计算结果,在大流量工况(工况4)时尾水管内有一个明显的与转轮旋转方向相反的低频涡带,其频率约为0153H z ,约为机组转频的0144倍,涡带形状如图4所示。低压涡带在弯肘段壁面的影响下,蜕变成较小的涡带,流向下游,涡核在旋转过程中随着螺距的增大强度变弱,并逐渐消失。

312　尾水管进口压力脉动幅值与频率

为了考察尾水管进口附近的压力脉动值变化,对图5所示三点压力进行分析。

表1为各工况尾水管进口各点压力脉动的相对幅值。图6显示了四个工况下三个计算点的压力脉动值。可以看出,工况1各点压力脉动幅值较小,工况4各点压力脉动幅值较大。

根据计算结果,在尾水管进口三个计算点的压力随时间变化较大,其中P2、P3两点的变化规律比较明显,P1点压力的变化规律随工况不同发生变化。P3点位于进口边缘,压力变化周期与转轮旋转周期一致。图7分别为不同工况P3点的压力脉动频域图。

根据计算结果,尾水管进口各点压力脉动的主频成分主要由012091H z 、014183H z 、0183646H z 等低频成分组成,为转频的01175～017倍;此外,在活动导叶区、转轮前后区域的计算结果中也发现了相同的频率成分,说明尾水管低压涡带形成后,引发的低频压力脉动在传播到上游的过流通道时,引起该处的低频压力脉动,这种低频压力脉动是水轮机中压力脉动的主要脉动源之一;另外,在尾水管管壁处发现了86178H z 和83122H z 的高频压力脉动,约为叶片转频的73～70倍,约为机组转频14～1416倍,应该是由叶片出口水流的影响所致。

841水　力　发　电　学　报

2009年