混流式水轮机水力振动及补气减振研究

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1、１３２中国农村水利水电·２０１５年第２期文章编号：１００７－２２８４（２０１５）０２－０１３２－０４混流式水轮机水力振动及补气减振研究李雷，张昌兵，唐巍（四川大学水利水电学院，成都６１００６５）摘要：基于ＶＯＦ气液两相流模型，研究了不同补气方式对大桥水电站混流式水轮机的减振效果。为较好地模拟补气过程，以整台水轮机为研究对象，包括蜗壳、座环、活动导叶、转轮、尾水管等，对其进行了三维数值模拟，得到了水轮机过流部件压力分布、速度分布、尾水管补气流态，以及压力脉动特性。计算结果表明，补气能有效减小尾水管中的负压值和压力脉动幅值，且大轴补气的效果优于短管补气，但

2、补气对消除转轮叶片气蚀的作用不明显。关键词：混流式水轮机；水力振动；压力脉动；气蚀；补气＋中图分类号：ＴＶ１３６．１文献标识码：Ａ１．１ＶＯＦ模型０引言水轮机补气属于对水气两相流，采用ＶＯＦ模型能较好地水轮机内的流动是一个复杂的三维流动，当过流部件设计模拟补气特性，假设在同一计算单元中水和气具有相同的速不合理，或运行操作不当时，会引起机组振动、产生噪音，导致度，即服从同一组动量方程，但它们的体积分数在整个流场中水轮机汽蚀破坏、机组运行不稳定、机组之间功率摆动［１］。以都作为单独变量。在每个单元中，水和气的体积分数之和为１。大桥水电站为例，该水电站装机容

3、量４×２２．５ＭＷ，水轮机型与真正的单相流相比，就会多一个体积分数（水或气的体积分号ＨＬＤ１２６－ＬＪ－１４５，最大水头１８７ｍ，额定水头１５２ｍ，最小水数）变量。如果αｗ表示水的体积分数，则气的体积分数αａ可表［９］３示为：头１３０ｍ，单机额定流量１８．５ｍ／ｓ，额定转速６００ｒ／ｍｉｎ，调节αａ＝１－αｗ（１）水位差４５ｍ，吸出高度－６．２ｍ，水轮机尾水管采用短管补气。只要流场中各处的水和气的体积分数都己知，所有其他水机组自投产以来，机组运行不易稳定，存在功率摆动，补气不充和气共有的未知量和特性参数都可用体积分数的加权平均值分，水轮机汽蚀、振动问题

4、十分突出。根据运行、检修数据统计来表示。水气界面的跟踪通过求解下面的连续方程来完成：［２］，测算，机组平均检修周期约为２ａ，２～３ａ就需更换新转轮αｗαｗ＋ｕｉ＝０（２）严重影响了电站的正常运行。因此，有必要对其水轮机进行三ｔｘｉ维流场计算，以便分析机组振动特性以及尾水管补气特性，为式中：ｔ为时间；ｕｉ为速度。水轮机改造提供参考。目前已有很多文章分析补气对振动的１．２ｋ?ε模型影响及电站新增或改造补气装置的实例［３－８］。但缺少对流体采用ｋ－ε模型来模拟水轮机内水流的紊流运动，控制方程激振机理及不同补气形式对振动影响的分析。本文拟采用气如下。连

5、续方程：液两相流模型对大桥电站水轮机进行三维ＣＦＤ数值模拟，分ρρｕｉ析流体激振机理以及不同补气形式的减振效果。＋＝０（３）ｔｘｉ１数学模型动量方程：（ρｕｉ）＋（）＝－Ｐ＋ρｕｉｕｊｔｘｊｘｉ收稿日期：２０１４－１０－３０（）ｕｉ＋ｕｊ（４）作者简介：李雷（１９９０－），男，硕士研究生，研究方向为电站水力学μ＋μｉｘｊ［（ｘｊｘｉ）］及动力系统。Ｅ－ｍａｉｌ：Ｈａｐｐｙ＿＿Ｒａｙ＠１６３．ｃｏｍ。湍动能方程：通讯作者：张昌兵（１９６９－），男，博士，副教授，研究方向为水力机械（ρｋ）＋（ρｋｕｉ）＝及水动力学。Ｅ－ｍ

6、ａｉｌ：ｓｃｕｚｃｂ＠１６３．ｃｏｍ。ｔｘｉ混流式水轮机水力振动及补气减振研究李雷张昌兵唐巍１３３Ｇｋ－αμｔｋ（５）ｋ（μ＋）ｘｊ［σｋｘｊ］式中：ρ为密度；ｋ为湍动强度；μ为运动黏度系数；μ为紊流涡ｔ黏系数。湍动能耗散率方程：（）＋（ｉ）＝Ｃε－ρερεｕε１Ｇｋｔｘｉｋμｔεαεμ＋－Ｃε２ρ（６）ｘｊ［（σε）ｘｊ］图１计算域及网格式中：Ｃε１为湍动能耗散生成项常数；Ｃε２为湍动能耗散消失项常Ｆｉｇ．１Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｄｏｍａｉｎａｎｄｍｅｓｈ数；Ｇｋ为平均速度梯度引起的紊动能ｋ的产生项；ε为耗散率。计算如

7、下：量，即蜗壳、尾水管部分由于流道简单，采用粗网格；而座环、活动导叶、转轮部分由于流道复杂，且对水轮机性能影响较大，采ｕｉｕｊｕｉＧｋ＝μｉ＋（７）（ｘｊｘｉ）ｘｊ用细网格，从细网格到粗网格采用均匀过渡。整个计算域共计涡黏性系数与湍动能耗散关系如下：划分为１５０万个计算单元。选择９个典型运行工况进行计算，ｋ２如表１所示。μｔ＝ρＣｖ（８）ε表１计算工况式中：Ｃｖ为无量纲系数。Ｔａｂ．１Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｏｐｅｒａｔｉｏｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ上述公式中模型系数取值为：Ｃε１＝１．４４，Ｃε２＝１．９２，σｋ＝水头Ｈ／流量Ｑ／相对开度／

8、工况补气方式１．０，σε＝１．３，Ｃｖ＝０．００９。ｍ（ｍ３·ｓ－１）％１１６０１８９５无２边