混流式水轮机发电转空载工况转轮特性研究

随着水电站逐步转向调荷运行,水轮机过渡工况运行时长增加将严重影响转轮性能。本文针对发电转空载过渡工况,以某混流式水轮机为研究对象,采用SST k-ω湍流模型与流固耦合方法分别求解内流与结构特性。研究结果表明:转轮内水流压力脉动频率为导叶、叶片频率的倍数,且在发电转空载过程中转轮内各监测点的30 f_(n)、60 f_(n)脉动幅值相近,幅值范围随着导叶关闭而逐渐缩小;转轮内涡旋结构主频为64 f_(n)、68 f_(n),其脉动能量沿流线减小,随着转轮进口来流角β的减小,进水边压力面流动分离现象加剧,进一步出现绕流形成马蹄涡和高湍动能区域,涡旋体积随负荷持续减小而先增后减;0.4 Q_(BEP)时叶道涡延伸至转轮出口侧,且在t=7 s时(0.2 Q_(BEP))涡核分裂,各叶间涡连成片状阻塞流道。结构方面:偏离设计工况使得来流撞击叶片进水边导致等效应力的增加,叶间流场马蹄涡位置与低等效应力区相对应。因涡核分裂与尾水管进口空腔旋涡双重作用,转轮出口边出现最大等效应力(4 MPa)与变形量(4.3μm)。内流与结构关联上:转轮流道约前三分之一区域的等效应力与转矩、流量成线性关系,而转轮流道约后三分之二区域为三次函数关系。此外,变形量在负荷主导区与力矩、流量亦成线性关系,在回流主导区是二次函数关系。

混流式水轮机多工况运行转轮特性

为提高水轮机运行性能,该研究首先采用SSTk-ω湍流模型探讨混流式水轮机多工况运行转轮内流特性,并基于流固耦合方法研究0.35Qr,Qr(Qr为设计工况),1.09Qr工况下的结构场特性。量化分析三维流场速度、压力、涡流黏度、转轮等效应力与变形特征等参量,结果表明最大等效应力和最大变形量均随负荷增加而增大,且各工况下最大等效应力均出现在转轮叶片出水边靠近上冠处,最大变形量均产生在叶片出口边中间区域。0.35Qr、1.09Qr工况运行时水流在转轮进口的撞击产生轴向涡是涡流黏度、等效应力、变形量增加的主要原因,Qr工况最大等效应力大于0.35Qr工况,而小于1.09Qr工况。叶片与上冠连接处应力集中,且因连接位置约束性较强,其结构变形量较小。上冠处强约束使得叶片中心位置产生的变形量最大,进一步采用理论分析与数值模拟相结合的方法探讨不同材料转轮性能,研究表明Q345材料转轮的湿模态频率下降率最高,最大下降率为24.5%。Q345的湿模态频率下降率大于ZG00Cr13Ni5Mo,因此使用Q345材料时应充分考虑流体阻尼效应。各材料转轮临界转速均远高于水轮机工作转速,不会引发共振,Q345和1Cr18Ni9Ti的转轮抗变形能力最强,但Q345转轮质量相对1Cr18Ni9Ti转轮较轻,Q345更适用于制造转轮。不同材料转轮的等效应力、变形量等静力学特性分布规律相同,且转轮具有相同的模态振型,故相关研究成果可推广至其他常用材料,为水轮机设计及运行提供一定的参考与指导。