CN105653767A - 水轮机导叶水力矩的测控方法 - Google Patents

水轮机导叶水力矩的测控方法 Download PDF

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李小斌
秦坤涛
姜晨醒
韩文福
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刘锦涛
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Abstract

水轮机导叶水力矩的测控方法，具体涉及一种水轮机导叶水力矩的测控方法。本发明能够解决现有应用模型试验测试水轮机导叶水力矩存在的实验过程复杂、运行成本较高、试验测量结果偏差较大的问题。本发明中给定水轮机导叶计算域和计算边界条件，导叶水力矩的测算以边界层加密的单周期固定导叶、活动导叶和转轮为研究对象。本发明可用于水轮机导叶水力矩、水力损失和效率的计算，进而用于水轮机导水机构和接力器的设计。

Description

水轮机导叶水力矩的测控方法
技术领域
本发明涉及一种水轮机导叶水力矩的测控方法，属于水力机械研究领域。
背景技术
导叶主要用于调节水轮机流量，是水轮机组导水机构中最重要的铸锻件之一，能够保证水轮机具有良好的水力特性和安全性。水流作用在导叶上时，导叶的翼型及位置直接影响水压力和水力矩值，为正确选择导水机构接力器、计算导叶强度、设计导叶传动机构，必须知道导叶在各个开度的力特性。
目前导叶水力矩的研究以水轮机模型试验为主要研究手段，导叶水力矩测试过程复杂、繁琐，试验周期较长，是一项费时费力的试验项目。水轮机模型导叶水力矩试验已不适于现代水力机械研究的要求。
计算流体动力学(ComputationalFluidDynamics，简称CFD)是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。随着CFD技术的完善，数值分析可以准确的模拟固定部件内部的流动情况，使得应用数值模拟计算导叶水力矩以替代水轮机导叶水力矩试验成为可能。现有研究中，数值模拟计算的水轮机导叶水力矩存在计算过程复杂、运算效率低、计算结果与试验测量偏差大的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有应用模型试验测试水轮机导叶水力矩存在的实验过程复杂、运行成本较高、试验测量结果偏差较大的问题，进而提供一种水轮机导叶水力矩的测控方法。
本发明水轮机导叶水力矩按以下步骤进行测控：
步骤一：将水轮机导叶计算域设定为单周期的双列叶栅与转轮的联合计算，其中，双列叶栅包括固定导叶和活动导叶；
步骤二：对步骤一中的计算域进行网格划分，并对双列叶栅壁面进行边界层网格加密，将得到的计算域网格导入至数值计算软件；
步骤三：在数值计算软件中给定边界条件，其中进口条件给定为质量流量进口、出口条件给定为静态平均压力出口、固壁面给定为无滑移固壁边界条件、计算域界面为周期边界条件；
步骤四：应用数值分析获得模型水轮机活动导叶的流场，在此基础上计算导叶水力矩、水力损失和效率。
导叶水力矩直接影响水轮机导水机构和接力器的设计，导叶水力矩是水轮机原型设计过程中的重要参数。目前导叶水力矩的研究以水轮机模型试验为主要研究手段，但实验测量方法往往受到模型尺寸、流场扰动、人身安全和测量精度的限制，此外，实验还会遇到经费投入、人力和物力的巨大耗费及周期长等许多困难。本发明中通过数值模拟，可以得到极其复杂的流场内各个位置上的基本物理量(如速度、压力、温度、浓度等)的分布，以及这些物理量随时间的变化情况，还可据此算出相关的其他物理量，如水轮机导叶的水力矩、水力损失和效率等。水轮机导叶水力矩的计算结果与实验结果的准确性对原型水轮机的设计和生产起着决定性作用。
本发明采用数值计算软件对三峡左岸水轮机双列叶栅的结构化网格作数值分析，求解其内部的压力场、速度场及水流流态，对数值结果作进一步分析可确定水轮机活动导叶水力矩及其受力情况。进口条件给定为质量流量进口；出口条件给定为静态平均压力出口；固壁面给定为无滑移固壁边界条件；计算域界面为周期边界条件。本发明中水轮机导叶水力矩的测算以边界层加密的单周期固定导叶与活动导叶为研究对象，采用标准k-ε数值模型，计算不同开度条件下导叶力特性和导叶水力矩结果，来流条件直接影响水力计算结果，本发明所述的双列叶栅及转轴的联合计算利用固定导叶控制来流，可以纠正进口来流条件存在的偏差，最大程度的模拟活动导叶的水流入流情况，从而更准确的计算活动导叶的水力矩结果。
将导叶水力矩测算结果与实验结果进行对比分析，验证了本发明所述计算方法的正确性，本发明提供了一种简单实用的水轮机导叶水力矩确定方法。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1.本发明提出一种方便、快捷、准确的导叶水力矩测算方法；
2.采用单周期的双列叶栅进行数值计算，求解导叶水力矩简单易行。
附图说明
图1是本发明所述水轮机导叶水力矩的测控方法步骤示意图；
图2是双列叶栅与转轮计算域实体示意图；
图3是双列叶栅计算域网格；
图4是双列叶栅计算域网格划分局部放大图；
图5是实施例1中水轮机双列叶栅固壁面压力图像；
图6是实施例1中水轮机双列叶栅流线分布图像；
图7是实施例1中水轮机双列叶栅中间流面压力图像；
图8是实施例1中水轮机双列叶栅中间流面速度分布图像；
图9是实施例1中三峡左岸导叶作用力计算曲线；
图10是实施例1中三峡左岸导叶水力矩测算曲线；
图11是实施例1中三峡左岸导叶水力矩测算曲线与试验结果曲线；
图12是实施例1中两组不同固定导叶翼形比较图；
图13是实施例1中不同固定导叶翼形活动导叶水力矩测算结果曲线；
图14是实施例1中双列叶栅与转轮联合计算的壁面压力分布(19.5°转角)；
图15是实施例1中双列叶栅与转轮联合计算的流线分布(30.5°转角)；
图16是实施例1不同转速下三峡左岸导叶水力矩曲线；
图17是实施例1中固定导叶间相对流量周向分布图；
图18是实施例1中不同质量流量条件导叶水力矩测算曲线。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的水轮机导叶水力矩的测控方法按以下步骤进行：
步骤一：将水轮机导叶计算域设定为单周期的双列叶栅与转轮的联合计算，其中，双列叶栅包括固定导叶和活动导叶；
步骤二：对步骤一中的计算域进行网格划分，并对双列叶栅壁面进行边界层网格加密；
步骤三：在数值计算软件中给定边界条件，其中进口条件给定为质量流量进口、出口条件给定为静态平均压力出口、固壁面给定为无滑移固壁边界条件、计算域界面为周期边界条件；
步骤四：通过数值分析获得模型水轮机活动导叶的流场，在此基础上计算导叶水力矩、水力损失和效率。
导叶水力矩直接影响水轮机导水机构和接力器的设计，导叶水力矩是水轮机原型设计过程中的重要参数。目前导叶水力矩的研究以水轮机模型试验为主要研究手段，但实验测量方法往往受到模型尺寸、流场扰动、人身安全和测量精度的限制，此外，实验还会遇到经费投入、人力和物力的巨大耗费及周期长等许多困难。本实施方式中通过数值模拟，可以得到极其复杂的流场内各个位置上的基本物理量(如速度、压力、温度、浓度等)的分布，以及这些物理量随时间的变化情况，还可据此算出相关的其他物理量，如水轮机导叶的的水力矩、水力损失和效率等。水轮机导叶水力矩的计算结果与实验结果的准确性对水轮机原型的设计和生产起着决定性作用。
CFX是流体动力学领域的一款数值计算软件，其优点是物理模型丰富，功能强大，基于有限元的有限体积离散方法，精度比较高。本实施方式采用ANSYS公司的CFX对水轮机双列叶栅和转轮计算域作数值分析，求解其内部的压力场、速度场及水流流态，对数值结果作进一步分析可确定水轮机活动导叶水力矩及其受力情况。本实施方式所述的双列叶栅及转轮联合计算利用固定导叶控制来流，可以纠正进口来流条件存在的偏差，最大程度的模拟活动导叶的水流入流情况，从而更准确的计算活动导叶的水力矩结果。
将导叶水力矩测算结果与实验结果进行对比分析，验证了本实施方式所述计算方法的正确性，本实施方式提供了一种简单实用的水轮机导叶水力矩确定方法。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中对导叶水力矩进行计算的计算域的界定如下：单周期固定导叶、单周期活动导叶和单周期转轮，如图2所示。
作为旋转机械，水轮机固定导叶、活动导叶和转轮具有明显的周期性，合理的单周期计算完全可以替代整体计算，而且有利于由于网格精度的提高。为了获得精确的导叶水力矩测算结果，计算利用固定导叶控制来流，利用转轮来模拟转轮扰动对活动导叶水力矩的影响，可以精准测算导叶水力矩。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中计算域网格分为固定部分和转动部分，固定导叶和活动导叶为统一的整体作为固定部分网格，转轮域作为转动部分网格。
计算域中固定导叶和活动导叶为静止部件，转轮为转动部件，因此计算域应分开考虑。为了提高计算精度，减小边界条件的影响，如图3所示。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤二中导叶壁面边界层网格加密为结构化网格。
由于水轮机导叶壁面边界层内流速梯度大，剪切应力作用强，边壁的准确模拟对压力变化、速度梯度有明显影响，边壁的处理对水力计算十分重要。采用有限体积法对计算域空间网格进行离散，将固定导叶和活动导叶近壁面网格进行边界层细化，细化后的导叶壁面边界层网格为结构化网格。如图4。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤三中数值计算选取在水轮机最大水头对应的单位转速和单位流量下进行。
本实施方式中数值计算选在水轮机最大水头所对应的单位转速和流量条件下，此水头下同导叶开度水轮机过流量最大，能够获得导叶水力矩的最大值。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤四中导叶水力矩测算，活动导叶转动中心给定在正Y轴方向，转轴Y坐标值即活动导叶分度圆半径，导叶全关位置定义为零转角开度。
本实施方式将活动导叶转动中心给定在正Y轴方向，转轴Y坐标值即活动导叶分度圆半径，目的在于能够方便导叶力特性的计算。
实施例1：三峡左岸水轮机导叶水力矩的计算，结合图2和图5～图18说明本实施例。
本实施例导叶水力矩的计算选定三峡左岸电站为研究对象。
三峡左岸混流式水轮机模型主要参数如下：转轮标称直径D1＝372.2mm，活动导叶分布圆直径D0＝414.4mm，导叶数Z＝24，导叶高度B0＝107.5mm。
双列叶栅的数值计算
对三峡左岸水轮机双列叶栅进行数值分析，求解其内部的流场，在数值结果作进一步分析可确定水轮机活动导叶水力矩及其受力情况。进口条件给定为质量流量进口；出口条件给定为静态平均压力出口；固壁面给定为无滑移固壁边界条件；计算域界面为周期边界条件。为获得导叶水力矩的较大值，计算选在原型水轮机最大水头113m所对应的单位转速条件下，双列叶栅联合计算数值分析结果如图5～8所示。
其中，图5为水轮机双列叶栅固壁面压力图像，图6为水轮机双列叶栅流线分布图像，图7为水轮机双列叶栅中间流面压力图像，图8为水轮机双列叶栅中间流面速度分布图像。
导叶水力矩测算结果
在数值分析基础上，以数值计算活动导叶表面压力为依据，计算活动导叶相对于其转轴所受的水力矩结果。将活动导叶转动中心给定在正Y轴方向，转轴Y坐标值即活动导叶分度圆半径。导叶全关位置定义为零转角开度，模型水轮机导叶水力矩测算转角总计8个工况。除8°转角工况外，其余工况均有与之相趋近的模型试验的开度相对应。三峡左岸导叶水力矩及其力特性计算结果如表1所示。
表1三峡左岸导叶水力矩测算结果
三峡左岸水轮机导叶水力矩试验模型水轮机标称直径D1＝372.2mm，原型水轮机与模型水轮机比尺为28：1。表一中导叶单位水力矩按下式计算：
C m = M HQ 11 2 D 1 3
其中，Cm为导叶单位水力矩、M为导叶水力矩、H为计算水头、Q11为单位流量、D1为模型转轮标称直径。
根据三峡左岸电站双列叶栅数值计算结果，绘制导叶作用力和导叶水力矩与活动导叶转角开度关系曲线，如图9和图10所示。
计算结果与试验结果的比较
三峡左岸水轮机导叶水力矩试验中固定导叶数与活动导叶数相同均为24支，导叶布置顺序是：1#导叶位于通常规定的+X、+Y象限内，导叶转轴与+X轴夹角为0.5度。其余导叶按顺时针方向依次均布。水力矩试验测力活动导叶六支，依入流的先后次序分别为：2#、7#、8#、9#、14#、20#。与计算活动导叶开度定义相同，设定活动导叶全关位置为零转角开度，模型水轮机导叶水力矩按导叶转角测定，测试活动导叶转角开度包括：5、10、15、20、25、30、35、39度，总计8个工况。
根据三峡左岸水轮机导叶水力矩数值计算结果，绘制原型水轮机最大水头113m工况下导叶水力矩测算结果与测试结果比较曲线。导叶水力矩与转角开度计算结果与试验结果比较曲线如图11所示。
三峡左岸导叶水力矩试验结果重复性较好，其测试曲线趋势、大小、拐点位置一致。三峡电站左岸导叶水力矩测算结果与试验结果极其吻合，计算力矩曲线大体落于6支测力导叶的中间偏下位置，计算力矩峰值位置与各测力导叶力矩峰值位置相近。导叶水力矩测算结果与9#测力导叶试验结果最为接近，除峰值处外整条力矩曲线几乎完全重合；与7#测力导叶试验结果差值最大。从三峡电站左岸导叶水力矩测算结果与试验结果的比较曲线来看，所采用的导叶水力矩测算方法有着较好的实用性和可行性。
分组固定导叶翼形对导叶水力矩的影响：
为了获得更优的水力性能，在水轮机通流部件优化过程中常需对固定导叶翼形进行分组，不同组别的固定导叶进口位置、进口安放角不同，以适应不同包角位置蜗壳出流的变化。三峡左岸电站24支固定导叶分为四组，每六支为一组。固定导叶翼形对计算导叶水力矩的影响主要讨论翼形差异最为明显的第一组固定导叶和第四组固定导叶入流条件下导叶水力矩值之间的区别。测算方法与前期双列叶栅测算方法相同，进口条件给定为质量流量进口；出口条件给定为静态平均压力出口；固壁面给定为无滑移固壁边界条件；计算域界面为周期边界条件。图12为两组不同固定导叶翼形比较图；图13为不同固定导叶翼形活动导叶水力矩测算结果曲线。
从固定导叶翼型对三峡左岸导叶水力矩的影响比较曲线可以看出，为了适应蜗壳出流，不同分组固定导叶进口安放角不同，但是由于其固定导叶出口安放角相同，因此不同翼型固定导叶对测算活动导叶水力矩的影响很小。比较曲线峰值处，即活动导叶转角约为15°，导叶水力矩差值为1.03％，限制工况，即活动导叶转角约33°，导叶水力矩测算值基本无差异。翼型相对瘦小的第四组固定导叶与活动导叶联合计算导叶水力矩数值总体略高。由不同固定导叶翼形导叶水力矩测算结果比较来看固定导叶翼型对活动导叶水力矩测算的影响可以不予考虑。
转速对导叶水力矩的影响：
转速的影响主要是考虑转轮转动对导叶的作用。受转轮转动影响活动导叶出口侧压力会有所变化，从而引起活动导叶水力矩的改变。在前期数值计算基础上，维持同导叶转角工况进口质量流量条件不变，采用双列叶栅与转轮联合计算，计算转轮转动对导叶水力矩的影响。模型水轮机转速给定为：134rad/s，即对应水轮机单位转速约为87r/min。该转速条件下双列叶栅与转轮联合计算数值分析结果如图2及图14、15所示。
图16为不同转速下三峡左岸导叶水力矩曲线，从比较曲线来看，无论是峰值处还是限制工况，转轮转动对导叶水力矩的影响很小，双列叶栅与转轮联合计算导叶水力矩结果与单周期双列叶栅测算结果几乎完全重合，仅在活动导叶转角40°附近导叶水力矩测算值偏差略大，其原因在于：导叶小转角开度，转轮距导叶距离较远，转速对导叶水力矩几乎没有影响；随着导叶开度的增加导叶与转轮逐渐趋近，在活动导叶大转角开度(40°开度附近)转速的影响表现明显，使得导叶水力矩绝对值减小，力矩值向活动导叶关闭方向偏移，另外距离双列叶栅计算域出口过近也是导叶水力矩出现较大误差的原因。总体来看转速对导叶水力矩的影响主要表现活动导叶大转角开度处，对限制工况及其之前的活动导叶小转角开度工况影响可以不计。
周期性和流量对导叶水力矩的影响：
单周期的双列叶栅数值计算使得导叶水力矩求解变得简单易行，但双列叶栅的周期性理想假设，亦使水力矩测算结果出现偏差。其中最为明显的偏差来自质量流量的周向分布不均。将蜗壳与固定导叶做联合数值分析，可以比较固定导叶间的流量分布差异。图17为蜗壳与固定导叶联合计算固定导叶间的相对流量分布图。
从固定导叶间相对流量周向分布结果可以看出，固定导叶间质量流量有两个峰值，分别对应2#和22#活动导叶，其质量流量的大小约为正常值的1.03倍。图11三峡左岸导叶水力矩试验结果2#、7#、20#峰值处(活动导叶转角15°)导叶水力矩较大，六只测力导叶中20#活动导叶水力矩整体测试值最高。总体看导叶水力矩测试结果与固定导叶间质量流量分布存在一定的对应关系，其对应关系在2#和20#两支测力导叶上体现较为明显。
质量流量对导叶水力矩的影响：
为了获得不同质量流量条件下导叶水力矩测算结果的数值差异，比较不同流量条件下导叶水力矩测算结果。流量差异选定为固定导叶间相对流量差异最大的1.03倍(与之对应的为2#和22#固定导叶间的质量流量)。相同活动导叶转角开度不同质量流量条件下三峡左岸水轮机导叶水力矩及单位水力矩测算结果见表2。
表2不同流量三峡左岸导叶水力矩测算结果
根据不同流量条件下三峡左岸电站导叶水力矩测算结果，绘制不同流量导叶水力矩与导叶转角开度关系比较曲线如图18。
通过不同流量条件下三峡左岸电站导叶水力矩测算结果比较可以看出，流量对导叶水力矩测算结果的影响较大，无论是大开度工况还是小开度工况大流量条件下导叶水力矩绝对值较大。但从表2来看不同流量条件下的导叶单位水力矩的数值几乎是完全相同的，不同流量对导叶单位水力矩测算结果没有影响。因此在确定导叶水力矩过程中应选择同开口下最大质量流量条件进行计算，或者应用最大单位流量条件根据单位水力矩来换算导叶水力矩绝对值。
非同步工况导叶水力矩的确定：
导水机构的设计还需考虑非同步工况导叶水力矩的影响，因此对非同步工况导叶水力矩也作了部分计算，希望通过计算分析获得非同步工况与同步工况导叶水力矩的数量关系。为了减少计算量，仍采用周期性边界条件。与之前以单个导叶为周期不同，非同步导叶水力矩测算以四支活动导叶为一个计算周期，以便分析非同步导叶对临近导叶水力矩的影响。按顺时针方向计，2#导叶为非同步导叶，其位置位于+Y轴上。计算同样采用质量流量进口边界条件，求解水轮机导叶内部流动情况，依据导叶壁面压力计算导叶水力矩。非同步工况导叶水力矩数值计算结果见表3。
表3三峡左岸非同步导叶水力矩测算结果
从非同步导叶水力矩测算结果来看，同步导叶8°转角工况，按水轮机转动方向计非同步导叶对其之后的3#导叶水力矩影响较大，但其水力矩测算数值与同步工况导叶水力矩最大值差异并不明显；随着同步导叶开度的增加，非同步导叶对其之前的1#导叶水力矩影响较大，其水力矩测算最大值约为同步工况计算最大值的2.5倍，同时2#非同步导叶水力矩测算值开始不断增大，超过同步工况水力矩最大值的3倍，但此时非同步导叶处于非受控状态，其导叶水力矩值可以不予考校。
由于非同步导叶水力矩测算采用周期性边界条件，其计算与实际情况有所差别，如果采用更多的导叶数进行计算导叶水力矩测算结果会有所降低。总体来看，非同步工况的受控导叶水力矩最大值约为同步工况最大值的2.5倍，与贯流式水轮机非同步导叶水力矩测算结果相近；非受控导叶水力矩最大值约为同步工况最大值的3.2倍。随着非同步导叶与同步导叶匹配转角的变化，非同步工况导叶水力矩的最大值可能还会有所增加。

Claims (6)

1.水轮机导叶水力矩的测控方法，其特征在于：水轮机导叶水力矩按以下步骤进行测控：
步骤一：将水轮机导叶计算域设定为单周期的双列叶栅与转轮的联合计算，其中，双列叶栅包括固定导叶和活动导叶；
步骤二：对步骤一中的计算域进行网格划分，并对双列叶栅壁面进行边界层网格加密，将得到的计算域网格导入至数值计算软件；
步骤三：在数值计算软件中给定边界条件，其中进口条件给定为质量流量进口、出口条件给定为静态平均压力出口、固壁面给定为无滑移固壁边界条件、计算域界面为周期边界条件；
步骤四：应用数值分析获得模型水轮机活动导叶的流场，在此基础上计算导叶水力矩、水力损失和效率。
2.根据权利要求1所述的水轮机导叶水力矩的测控方法，其特征在于：步骤一中对导叶水力矩进行计算的计算域的界定如下：单周期固定导叶、单周期活动导叶和单周期转轮。
3.根据权利要求1所述的水轮机导叶水力矩的测控方法，其特征在于：步骤一中计算域网格分为固定部分和转动部分，固定导叶和活动导叶为统一的整体作为固定部分网格，转轮域作为转动部分网格。
4.根据权利要求1所述的水轮机导叶水力矩的测控方法，其特征在于：步骤二中导叶壁面边界层网格加密为结构化网格。
5.根据权利要求1所述的水轮机导叶水力矩的测控方法，其特征在于：步骤三中数值计算选取在水轮机最大水头对应的单位转速和单位流量进行。
6.根据权利要求1所述的水轮机导叶水力矩的测控方法，其特征在于：步骤四中导叶水力矩测算，活动导叶转动中心给定在正Y轴方向，转轴Y坐标值即活动导叶分度圆半径。
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