混流式水轮机尾水涡带受开孔式泄水锥的影响研究.docx

混流式水轮机尾水涡带受开孔式泄水锥的影响研究前言对于混流式水轮机来说，尾水涡带是影响机组稳定运行的最主要水力因素之一，特别对某些部分负荷工况更为重要[1,2]部分负荷下尾水涡带引起的压力脉动具有频率低，强度大的特点，通常情况下尾水涡带的频率为机组转频的三分之一左右[3,4]，该涡带引起的压力脉动能向机组上下游传播，对机组的稳定性造成影响有鉴于此，国内外的技术人员和相关学者分别从模型试验、数值模拟、现场试验等不同方面开展了尾水涡带的研究，幵取得了相应的进展[5,6,7,8]泄水锥处于转轮叶片出口、尾水管进口处，涡带通常是在泄水锥的端部或端部附近产生，因此泄水锥对尾水涡带的影响也受到了业内关注，业内也开展了泄水锥对涡带影响的研究[9,10,11,12]本文以某中低水头混流式水轮机为例，通过模型测试和理论分析相结合，研究了开孔泄水锥对尾水涡带的影响[13]本文的主要研究内容有：（1）通过高速摄影技术，观测涡带发生位置，依照观测结果设计不同的开孔泄水锥，幵将高速摄影技术与常觃测试技术结合起来，获取水轮机转轮内部及尾水管涡带的试验信息；（2）选取合适的湍流模型进行水轮机全流道三维非定常模拟，对水轮机中的不稳定现象进行捕捉，着重分析不同泄水锥对涡带演化以及压力脉动特性的影响；（3）通过综合比较模型测试结果与数值模拟结果，分析不同型式的开孔泄水锥对于涡带演化及压力脉动特征的影响，探讨其流动机理，幵进一步探索抑制尾水管压力脉动的方法。

1、试验研究为了进行开孔式泄水锥对尾水涡带的影响研究，我们在水力发电设备国家重点实验室的高水头试验台上，针对国内某项目，重点进行了部分负荷工况泄水锥对尾水涡带影响的研究，幵与满负荷工况的结果进行了比较1.1试验对象图1所示为试验转轮的相对综合特性曲线及电站运行范围，图中效率为相对效率η/ηopt，其中ηopt为采用原始泄水锥时的最优效率从中可以看出电站水头变幅较大，这时在部分负荷时容易出现较强的尾水涡带、幵引起压力脉动，对机组的安全运行造成威胁图1中特别标记了本文所关注的工况图1试验转轮相对综合特性曲线，其中效率为相对效率η/ηopt图2为几种不同型式的泄水锥，其中包括原始0孔、开2孔和开4孔的情况原始的泄水锥没有开孔，2孔的泄水锥在等高度位置对称方向开了一对孔，4孔的泄水锥在与2孔成90º方向的变高度位置又开了一对孔图2不同型式的泄水锥1.2试验内容为了研究开孔泄水锥对水轮机性能，特别是对尾水涡带的影响，本项研究重点针对尾水涡带比较强烈的某部分负荷工况进行了如下试验：不同型式泄水锥的能量试验、尾水管涡带的高速摄影观测及压力脉动测量试验1.2.1不同型式泄水锥的能量试验及涡带频率比较表1给出在部分负荷试验工况，不同型式泄水锥的模型水轮机相对效率以及测得的尾水涡带主频与转频比，通过表中数据可以确定泄水锥开孔对效率以及涡带频率影响甚微。

表1不同泄水锥型式的能量及效率试验比较1.2.2采用高速摄影对涡带的观测高速摄影技术作为揭示物质运动现象的研究工具，在空化研究中得到了广泛应用，一些学者通过高速摄影技术对不同形式的空化现象进行了研究[14,15]本项研究根据混流式水轮机结构特点，在透明的有机玻璃锥管段，通过高速摄影技术对涡带进行了拍摄及录像，以便清晰地观察尾水涡带的行进路径及变化图3给出了在部分负荷试验工况下不同型式泄水锥涡带在一个旋转周期（T）的时序图其中左侧一列为原始泄水锥，中间一列为开2孔泄水锥，右侧为开4孔泄水锥，通过现场观察及对录像观察，能够发现以下现象：(1）通过观察左侧一列原型无孔泄水锥可以看出，涡带的初生位置在泄水锥表面靠近端面处，也就是涡带空化的初生区域，幵呈沿泄水锥表面上下跳动状态涡带由2～3股较细的子涡带重叠构成，绕着泄水锥中心进行公转，在运行时序的初始时刻到1/3T时刻的时序图可以清晰地观察到涡带的子涡带，这些子涡带在随主涡带绕水轮机旋转中心公转的同时也绕着自身的中心自转子涡带的产生与泄水锥表面的低压区即空化初生部位相关，如果泄水锥表面低压区域较大，则会引发多处空化初生区域，幵产生多个子涡带自转的子涡带产生高频脉动能量，幵对水轮机压力脉动性能产生影响。

2）通过观察开孔泄水锥，可以看出与原始泄水锥相比，发生在泄水锥端面的涡带明显减弱，在开4孔泄水锥方案的5/9T时刻，涡带甚至一度消失，同时涡带的跳动现象也减弱甚至消失，涡带的宽度以及体积也都减小，甚至出现涡带分散现象，但需要注意的是，在泄水锥开孔的位置有时会产生更为细小的多个旋转涡带总之，从观察到涡带型式变化来看，与原始泄水锥相比，开孔后泄水锥上的涡带体积有一定程度减小图3部分负荷工况尾水涡带演化时序图1.2.3尾水管压力脉动的频谱分析在观测尾水涡带的同时，也进行了尾水管压力脉动的监测在尾水管上共布置了2对测点，一对根据IEC-60193布置于锥管上下游（+Y0.3D2、-Y0.3D2），另一对位于肘管内外侧，如图4所示图4压力脉动测点布置图不同测点的压力脉动测量结果见表2～5，其中f1为压力脉动测点主频，fn为转频，从表中可以看出：在部分负荷工况下，涡带频率与振幅变化不明显表2不同工况和泄水锥型式下锥管+Y0.3D2点的压力脉动特征表3不同工况和泄水锥型式下锥管-Y0.3D2点的压力脉动特征表4不同工况和泄水锥型式下肘管内侧测点的压力脉动特征表5不同工况和泄水锥型式下肘管外侧测点的压力脉动特征通过对部分负荷工况尾水管测点的压力脉动峰峰值试验数据进行FFT变换，能够得到压力脉动能量的频域图，如图5所示。

通过图中可以看出，泄水锥开孔后，压力脉动的整体水平有一定程度的下降，特别是高频和较高频的脉动能量下降明显，甚至消失（如锥管下游侧接近40Hz的较高频能量，在开4孔泄水锥的结果上几乎没有特别体现）图5部分负荷工况下尾水管压力脉动能量分布PSD与频率f关系（原型0孔、2孔、4孔）2、数值模拟分析为了对观测结果进行更深入的了解，应用CFD技术对开0孔、2孔、4孔三种泄水锥进行了全流道非定常流的模拟，计算工况与表1中的试验工况相同进行全流道计算时，认为水轮机内部为三维不可压流动，则三维不可压紊流模型的连续性方程为：公式1雷诺时均N-S方程为：公式2湍流模型采用k-ωSST（应力剪切模型）模型，该模型使用混合函数将标准k-ω与k-ε模型结合该模型湍流在近壁面利用k-ω模型以捕捉黏性底层的流动，而在主流区域利用k-ε模型又可以避免k-ω模型对进口湍动参数过于敏感的劣势k方程：公式3ω方程：公式4采用CFX软件进行非定常计算时，进口条件设置在蜗壳进口，给定质量流量，出口条件设置在尾水管出口，设置相对平均压力为0Pa以定常计算结果作为非定常计算的初值，计算的时间步长选择为转轮旋转0.1°所需时长，每20步输出一次非定常结果。

图6所示为非定常流动的计算域及所布置的压力监测点图6全流道计算域及压力监测点为了便于对不同方案的计算结果进行对比，图7给出部分负荷工况不同开孔情况下泄水锥上的压力分布，图中左侧一列为无孔泄水锥、中间为开2孔、右侧为开4孔，从中可以对涡带的初生位置以及涡带的行进作出判定对于所有方案，在部分负荷工况下泄水锥压力分布呈现出强烈的非轴对称性，压力分布的不均匀导致了压力脉动的产生，无孔方案中在泄水锥的端部出现最低压力，且该低压区是绕水轮机中心旋转的，这与1.2.2中高速摄影观测结果一致开孔之后，泄水锥表面的压力分布发生明显变化，尤其是在孔的周围压力明显上升，同时压力梯度趋于平缓，这与1.2部分开孔泄水锥的观测结果也保持一致图8所示为不同型式泄水锥的叶道涡和涡带，幵在确定空化边界时，对于三种型式的泄水锥均采用了相同的准则通过比较可以看出，开孔泄水锥对于叶道涡有明显的抑制作用，同时泄水锥端部的空化初生部位，空化腔有一定程度的减小这从理论上说明泄水锥开孔后有利于提高稳定性、抑制压力脉动图7部分负荷工况泄水锥压力分布图8部分负荷工况尾水涡带3、结论本文通过在泄水锥设置不同的开孔方式，研究了泄水锥开孔对尾水涡带和压力脉动的影响。

通过高速摄影技术、压力脉动监测以及全流道CFD非定常流动的模拟分析，可以得出如下结论：(1）通过高速摄影观测能够得知：在部分负荷工况，开孔泄水锥对于涡带有一定抑制作用，涡带的体积减小，涡带型式更为稳定；(2）通过压力脉动监测及能量试验能够得知：开孔泄水锥对水轮机效率几乎没有影响，而开孔后，压力脉动能量减弱；(3）用CFD模拟软件对上述试验结果进行了模拟，通过对比得知CFD模拟与试验结果保持良好的一致性参考文献：[1]郑源,汪宝罗,屈波.混流式水轮机尾水管压力脉动研究综述[J].水力发电,2007(2):66-69.[2]陶星明,刘光宁.关于混流式水轮机水力稳定性的几点建议[J].大电机技术,2002(2):40-44+49.[3]王正伟,周凌九,黄源芳.尾水管涡带引起的不稳定流动计算与分析[J].清华大学学报(自然科学版),2002(12):1647-1650.[4]李启章.混流式水轮机的常规压力脉动,第十九次中国水电设备学术讨论会论文集[C]//中国水力发电工程学会,2013:175-178.[8]王林.混流式水轮机尾水管压力脉动试验分析[J].水电站机电技术,2016,39(7):5-8+81.[9]张广,等.泄水锥对水轮机尾水管压力脉动影响的试验研究[J].黑龙江电力,2018,40(3):249-253.[10]钱忠东,等.泄水锥形式对混流式水轮机压力脉动的影响分析[J].水力发电学报,2012,31(5):278-285.[11]刘树红,吴晓晶,吴玉林.水轮机转轮泄水锥形状对机组内部流动影响分析[J].水力发电学报,2006,25(1):67-71.[12]张兴,赖喜德,廖姣,张文明.混流式水轮机尾水管涡带及其改善措施研究[J].水力发电学报,2017,36(6):79-85.[13]刘登峰.水轮机泄水锥打孔对尾水涡带影响研究[D].哈尔滨工业大学,2017.[14]黄继汤.应用高速摄影技术研究空化现象[J].清华大学学报(自然科学版),1989(5):1-7.[15]张传鸿.螺旋桨空泡观测的高速摄影技术研究[C]//第十四届全国水动力学学术会议暨第二十八届全国水动力学研讨会文集(上册),2017:7.李任飞,赵越,杨聃,刘登峰,史千.开孔式泄水锥对混流式水轮机尾水涡带影响的研究[J].大电机技术,2020(02):55-60.。