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HL638-WJ-84型水轮机增容改造及数值预测

更新时间:2009-03-28

老电站增容更新改造由于不需要再建大坝等水工建筑物,其投资少、见效快且经济效益高,是解决能源短缺的一条有效途径.大量工程实践表明,老电站的增容改造比新电站的投资低2/3,通过更换性能参数高的新转轮,一般可提高水轮机效率3%~5%,增容幅度可达20%甚至更多,经济效益十分显著[1].三峡电站之后出现了大批优质新型转轮,在很多情况下仅需通过更换一个新型转轮即可达成大幅增容的目的.然而在不更换蜗壳、顶盖及底环等大型埋入部件的前提下,还有一些老型号水轮机无法找到流道兼容的适配新转轮,这种情况下,便面临着开发新型水力模型的问题,而委托东电、哈电或水科院开发一个新型转轮的成本巨大,使得中小型水电站只能望而却步[2].

对于径流式水电站的中小型水轮发电机组,由于其水头恒定机组运行于单一单位转速下,因此其增容改造仅通过单位流量的增加即可实现.尤其对卧式混流式机组,其转轮的更换仅在2 h内即可完成,且转轮本身的造价也不超过10万元,因此,通过适当的转轮改型设计“量体裁衣”式地制造一个增容转轮,在不经过水力模型试验的情况下直接进行真机试验及应用,成功了便可取得很好的经济效益,即便失败了也不会造成多少损失[3].因此,这种增容方法在中小型水电站一直有较大的需求.

目前流场仿真手段的普及和日趋成熟,因此可根据水力设计原理和实践经验,提出新转轮的预期目标和几何参数更改方案,然后利用CFD数值模拟技术进行充分的流场模拟分析研究,筛选出最佳改型方案[4],为中小型水轮机转轮的增容改造提供理论支撑,可以使改造方案更加可靠.

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1 适宜于中小型水轮机现场增容改造的方法

水轮机水力设计中常用改型设计的方法研制新转轮,即通过改变转轮的上冠、下环形状或叶片进出水边位置、叶片数等几何参数,达到改变转轮水力性能参数的目的,从而研制出新型转轮,实践证明这是一种简便而有效的设计方法[5].适于水电站现场条件的水轮机转轮增容改造,可能的形式为切割叶片出水边或者减少叶片数,从而达到增加单位流量的目的.

1.1 通过切割叶片出水边增容

水轮机流量调节方程[6]

 

(1)

上式明确地反映出叶片出口边几何参数对机组过流能力的影响.当机组导叶开度最大即a0为最大值时,水轮机过流能力取决于叶片出水边半径r2、水轮机过流面面积S2和叶片出口边安放角β2这三个几何参数,这三个参数中任何一个的增大都将使转轮过流能力提高.

转轮叶片设计时,要求从出水边至进水边,相对速度与圆周方向的夹角的变化规律呈单调增加,这意味着对叶片出口边的切割将使出水边处相对速度与圆周方向的夹角β2增大;转轮流道从进口到出口呈收缩状态,切割出水边将使r2S2也增大.因此,适当切割叶片出水边可使过流能力增强.

转轮出水边切割量是个非常敏感的参数,稍有不妥便会使水力效率过分降低,导致流量加大而出力不增加甚至下降,因此,叶片出口边切割量需在理论分析计算的基础上结合实践经验才能确定[6].

图1为两相邻叶片出水边参数的几何关系.图中t为周向间距即栅距,a0为叶片开口,可近似认为

 

(2)

  

图1 两相邻叶片出水边参数几何关系 Fig.1 Geometric dependence of parameters of two adjacent blades at runner outlet

在开展帷幕灌浆施工过程中,每一段应用的设计压力有所不同,第一段的长度为2.0m,注浆压力为150MPa,第二段的长度为5.0m,注浆压力为200MPa,第三段的长度为长5.0m,注浆压力为300MPa,如果遇到某个孔段吃浆量较大,为了控制注浆效果,应用少灌多复的方法进行灌注。

ΔqV=w2rt=w2tsin β2=w2a0

(3)

式中:w2r为叶片出口相对速度径向分量.

若将切割前后的微元流量分别以ΔqV,1和ΔqV,2来表示,相应地将切割前后的出口相对速度及叶片开口分别以w21a01w22a02来表示,则由式(3)推出关系式:

ΔqV,1qV,2=w21a01/(w22a02)

(4)

式中:a0i 为叶片出水边第i个点上的开口值;ri为从水轮机轴心线至各开口测点间的距离;N为所选开口点的数量.

ΔqV,1qV,2a01/a02

(5)

伽达默尔的哲学诠释学并非是一种方法论,而是一种本体论的诠释学。应用在这里绝不是理解的一种方法,通过运用此种方法才可以达到理解。上文所考察的各种理解的实际情况,其目的也并非是对理解做一种方法论上的启示,提示大家该如何去做才能获得理解(虽然会有此种效果),而仅仅是描述理解现象本身。在文本的理解和解释之中已然包含了对于该文本的应用,而对该文本的应用就是对此文本的理解和解释。

 

(6)

出水边切割量不可能很大,可近似认为切割前后叶片长度基本不变,则w21w22,由此可得

再引入沿叶片高度的加权平均开口:

用式(6)计算加权平均开口,若所选开口点数在下环部分较多,则其值偏大,因下环部分叶片开口大;反之,若所选开口点数上冠部分较多,则其值偏小.准确的计算方法为

 

(7)

式中:rA为叶片出水边与上冠交点的半径;rB为叶片出水边与下环交点的半径.

燕西姓的是金,金在五行中取萧杀之意,注定了其家族的败亡。而金所处的方位在西,也就是西山与西方的反复出现最好之理由。清秋姓的是冷,冷莫过于冰。按照中国传统的五行之说,金能生水,于是清秋一家因为金家而地位上升,清秋的舅舅谋得了好差,和总理成为了亲家带来许多好处。同时火能克金,于是文末点了一把大火烧了金家。清秋最悲惨的就是那卧病时静听雨声,而燕西则是在那场火灾中。这些是不是张恨水先生的恶趣味,我们已经无从考证了。

实际计算时可作开口值a与开口点处半径r的乘积arrArB间的曲线,再计算曲线所围的面积.

陈洋十指冰冷,白皙的皮肤透出暗黑的青紫色,罗恬觉得自己的视线变得有些模糊不清了,她隐约看见楼下的角落里,有个熟悉的身影,她呢喃地问:“是杜朗吗?”

我在南昌上大学的时候,几乎每星期都到同年爹家去。在此之前,我一直称他为同年爹,后来,不知是同年爹还是同年娘的意思,说同年爹同年娘外人不懂。还是叫他们伯父、伯母好。从此,我便称他们为伯父伯母。

青海省唯哇电站1#机组HL638-WJ-84型水轮机在电站65 m水头条件下机组额定出力为2 000 W,原配发电机2 500 kW,虽然夏季存在大量弃水,受限于水轮机容量机组也只能发2 000 kW.为使唯哇水电站获得更多的发电量,需要对水轮机转轮进行改型设计.HL638转轮的最高使用水头为120 m,在本电站65 m水头下,转轮刚强度有很大富裕,经强度计算可以将转轮叶片数由17片减少为14片;同时根据前述方法计算得出切割叶片出水边25 mm.改造方案确定为叶片数减少为14片的同时切割叶片出水边20 mm.改造方案实施结果使机组增容23%.图2为水轮机转轮改型前后的三维模型图.

ΔqV,1qV,2=a01CP/a02CP

(8)

据此可求出在期望的过流能力时开口的加权平均值,由此可进一步确定叶片出水边切割量.

1.2 通过减少叶片数增加单位流量

转轮叶片数对转轮的水力性能和强度都有显著影响.减少叶片数,会降低转轮的刚强度;另一方面,叶片数的减少降低了叶片对流道的排挤,必然会增加过水断面面积,从而使单位流量增大.经验表明,减少叶片数可以在单位转速基本不变的前提下,使最优工况区和出力限制线向较大单位流量区移动.

2 数值预测方法

2.1 几何模型的建立及网格划分

本文利用了Pro/E三维建模软件以及ICEM网格划分软件对水轮机全流道的数值模拟进行前处理.水轮机内部的流动是非常复杂的而且其流动是不可压缩的黏性紊流,为使水轮机数值模拟结果更加准确,几何模型的准确建模起关键作用.本文用到的几何建模三维软件是Pro/E,根据转轮木模图,在Pro/E中进行草绘、旋转、边界混合、曲面混合以及实体化,得到水轮机全流道的几何建模,包括蜗壳、导叶、转轮及尾水管[7].

正确绘制几何模型后,网格质量的好坏决定了流场计算的结果、计算精度和最终结果的收敛性[8].本文采用的网格划分软件是ICEM,选择网格类型是非结构化网格(混合四面体网格).水轮机网格总数为3 842 092,其中蜗壳及导水机构的单元数为1 670 919,转轮单元数为1 295 005,尾水管的单元数为876 168,网格质量很好,均在0.2以上.

2.2 计算边界条件及湍流模型

水轮机的计算区域是从蜗壳进口到尾水管出口.根据电站所给参数,进口边界条件采用速度进口,出口边界条件采用自由出流,壁面采用无滑移壁面[9-10].选择标准k-ω湍流模型,一是本文研究的为中低比转速混流式水轮机,在流动过程中并没有较大的旋转剪切流和较强的旋度;二是标准k-ω模型比较简单,且经济且稳定.采用SIMPLEC算法,实现压力和速度变量的分离求解[11].用CFD技术模拟水轮机内部流场时,要求转动部件与非转动部件之间的数据准确传递,因此将交界面耦合是保证计算正常的关键.

(ⅱ) 假设(u,v)是系统(3)的一个共存解,则a>λ1,因此θa存在且唯一,从而u<θa,又因d>λ1,则v>θd,故

其实,花瓣表面并非我们肉眼看上去那么光滑。不知大家对花瓣上的小水珠是否有印象:这些小水珠好似一个个晶莹剔透的小水晶球,吸附在花瓣上,轻微地抖动并不会使它们滑落。这是因为花瓣表皮细胞有许多突起,且细胞表面覆盖着的蜡质层会形成一个疏水界面,防止水填充进这些含气的空间。

3 工程实例的数值计算及结果分析

式(5)中开口值用加权平均开口代替,则可得出水边切割前后水轮机过流能力ΔqV,1、ΔqV,2与切割前后加权平均开口值a01CPa02CP的关系式:

  

图2 混流式水轮机转轮改型前后三维模型Fig.2 Three-dimensional model of Francis turbine runner before and after its remodelment

3.1 数值计算

唯哇水电站1#机组HL638-WJ-84水轮机主要参数如下:设计水头为65 m,设计流量为3.81 m3/s,转轮直径为840 mm,固定导叶数为6片,活动导叶数为12片.对水轮机进行数值模拟时,转轮的设计转速为600 r/min,流场的雷诺数为3.04×106,所以惯性力起主导作用.因篇幅有限,只分析混流式水轮机最优工况下叶片的压力分布,分别如图3和图4所示.

由图3和图4可以得出,在最优工况下,水轮机转轮的压力分布均是从叶片进水边向叶片出水边逐渐降低,叶片压力面压力比吸力面压力整体要高,改型后转轮叶片压力梯度要比改型前大.原型叶片工作面出水边处出现了局部低压,改型后此局部低压消失,说明改型后此处的流动状态比改型前好.叶片背面出水边靠近下环处存在局部低压,改型后由于叶片数的减少以及切割出水边,液流对叶片的排挤相对减少,液流接触叶片的面积减小,叶片上所受压力增大,所以在改型后叶片压力面与吸力面的压力差比改型前的更大,说明改型后水轮机的过流量增大,过水能力增强.同时,改型后叶片背面出水边附近的负压比改型前更大一些,表明叶片空蚀性能不如改型前.

在垂直纸面方向的单位高度上,相邻叶片间的微元流量为

  

图3 最优工况下叶片改型前后压力面压力分布(kPa)Fig.3 Pressure distribution on blade pressure surface before and after modification of blade under optimal operational condition (kPa)

  

图4 最优工况下叶片改型前后吸力面压力分布(kPa)

Fig.4 Pressure distribution on blade suction surface before and after modification of blade under optimal operational condition(kPa)

3.2 结果分析

水轮机的水力效率:

 

(9)

对水轮机进行流场模拟计算以后,利用Fluent的表面积分功能,计算出蜗壳进口与尾水管出口的总压压差Δp,则水轮机效率:

 

(10)

式中:qV为转轮进口流量;Δp为进出口总压差;M为转轮绕旋转轴的合力矩;ω为转轮旋转的角速度.

通过流场模拟计算结果,得到水轮机在各工况下的性能参数,如图5~7所示.

  

图5 改型前后不同导叶开度下的效率对比Fig.5 Efficiency comparison of turbine with different guide vane opening before and after remodelment

  

图6 改型前后不同导叶开度下的功率对比

Fig.6 Power comparison of turbine with different guide vane opening before and after remodelment

  

图7 改型前后不同导叶开度下的流量对比Fig.7 Flow rate comparison of turbine with different guide vane opening before and after remodelment

从图5~7可以得出,改造前的水轮机在最优工况时,效率达到最大值90.56%,基本符合HL638型水轮机的特性曲线.随着导叶开度越来越大,效率逐渐降低,出力逐渐增大直到达到出力限制线附近才逐渐降低.在小流量工况下,改造后的转轮效率比改造前的转轮效率降低了1.1%,出力却比改造前增加了133.37 kW.在最优工况下,改造后的转轮效率比改造前的效率降低了1.06%,出力比改造前增加了139.01 kW.当转轮运行在限制工况时,出力比改造前也提高了361.64 kW,说明改造后的转轮出力比改造前的转轮出力增加了16.35%,达到增容的效果.在大流量工况下,改造后的转轮效率在限制工况下有所降低,并且出力继续增大.改造后的转轮效率最高点比改造前的最高效率点后移,改造后限制工况点也往后移,这是因为转轮叶片由17片减少为14片且切割出水边,使得水轮机的过流能力增大,水轮机的模型综合特性曲线向大流量区域移动.因为水轮机实际运行时的情况与软件模拟计算的水轮机的流场情况不可能完全一致,所以数值模拟结果与实际结果比较接近却不可能相等,但应用于指导增容改造工作,是可以满足工程应用要求的.

4 结论

1) 运用三维建模软件Pro/E进行建模,ICEM进行网格划分(非结构化网格),选用标准k-ω湍流模型以及SIMPLEC算法,Fluent 14.5进行水轮机全流道定常模拟计算,可以得到比较准确的水轮机外特性预测结果.

2) 在无合适的新型转轮替代老转轮的情况下,可以采用减少叶片数以及切割叶片出水边的方法得到易于实施的改型转轮,从而达到增容改造目的.水轮机全流动数值模拟计算可以为增容改造方案的可行性提供依据.

(1)基于词向量与深度学习的语义相似度计算模型的优点是考虑到了文本中语义语法等信息,具有准确率较高、泛化能力较强的特点,并省去了大量的人工提取特征的工作。

3) HL638-WJ-84型水轮机在将叶片数从17片减少为14片,同时叶片出口边切割20 mm后,达到了增容20%的目的,此结果对一切HL638型水轮机的改造都有同样的意义.

4) 减少叶片数及切出口边的改型方法对转轮叶片空蚀性能的不良影响,在电站装置汽蚀系数余量不够大的情况下,尤其是对机组拆装大修不便的立式机组,需进行慎重的计算分析.

但据《明英宗实录》卷四,宣德十年(1435)“初,尧民同清等督兵造漕舟于松花江,并捕海青”。这是刘清第四次来船厂,之所以这次没有刻石记功,是因为这次来船厂时间很短就在任上被捕而未来得及像以往那样刻字留念。

参考文献

[1] 敏 政,齐学义,唐建波.HL160型水轮机的增容改造技术 [J].水力发电,2002,28(4):64-66.

[2] 辛 喆,吴俊宏,常近时.混流式水轮机的三维湍流流场分析与性能预测 [J].农业工程学报,2010,26(3):118-124.

[3] 黄剑锋,张立翔,何士华.混流式水轮机全流道三维定常及非定常流数值模拟 [J].中国电机工程学报,2009,29(2):87-94.

[4] GAITONDE D,SHANG J S.Performance of eddy-viscosity-based turbulence model in three-dimensional turbulence interaction [J]. American Institute of Aeronautics and Astronautics Journal,1996,34(3):844-847.

[5] 纪兴英,刘胜柱,吴喜东,等.HL220转轮增容改造研究 [J].大电机技术,2004(4):52-55.

[6] 刘大恺.水轮机 [M].3版.北京:中国水利水电出版社,1997.

[7] 敏 政,张忠华,罗宏博,等.基于CFD的水轮机导叶翼型数值模拟及分析 [J].兰州理工大学学报,2012,38(3):47-50.

[8] 纪兵兵,陈金瓶.网格划分技术实例详解 [M].北京:中国水利水电出版社,2001.

[9] 王福军.计算流体动力学分析——CFD软件原理与应用 [M].北京:清华大学出版社,2004.

[10] PACIORRI R,DIEUDONNE W,DEGREZ G,et al.Validation of the spalart-allmaras turbulence model for application in hypersonic flows [C]//28th Fluid Dynamics Conference.Hawaii:Published by American Institute of Aeronautics and Astronautics,1997:2023-2031.

[11] 钟堰辉,张思青,胡秀成,等.混流式水轮机导水机构三维定常CFD分析 [J].水电能源科学,2009,27(5):182-183.

 
敏政,岳巧萍,田亚平,韩伟
《兰州理工大学学报》2018年第02期文献

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