降低变速水泵水轮机无叶区压力脉动的活动导叶优化研究.pdf
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1、1倪晋兵等:降低变速水泵水轮机无叶区压力脉动的活动导叶优化研究0引言随着我国“碳达峰、碳中和”目标的提出和电力需求的急剧增长,风电、光伏等波动性电源大规模并网,对电力系统的调节能力提出了更高要求。变速抽水蓄能机组具有水泵工况入力可调、水轮机工况运行范围更宽、稳定性能更好等优点,更加适合新型电力系统的需求。无叶区压力脉动是抽水蓄能机组稳定性能的重要指标,通常来说,水泵水轮机的水轮机工况无叶区压力脉动最大,而变速机组通常需具备更大的出力调节范围,其水轮机工况会运行至 40%额定负荷左右,在该负荷区域,无叶区压力脉动会急剧加大,因此,降低水轮机工况无叶区压力脉动对提高变速水泵水轮机的稳定性能尤为重要
2、。国内外学者针对无叶区压力脉动的产生机理、传播规律、数值模拟和改善措施进行了诸多研究。在无叶区压力脉动的产生机理方面,王小龙1、MAXIME B2、徐连琛3等对水泵水轮机无叶区旋涡结构的发生机理、发展机制及无叶区压力脉动的影响因素进行了研究。在压力脉动的传播规律方面,李金伟4分析了张河湾 3 号机组无叶区压力脉动的频率、幅值和相位及其传递特性;张自超5通过试验比较了水泵水轮机压力脉动的低频和高频成分的传播特性,得出低频成分传播衰减较少、传播性较强的结论;除此之外,刘树红6、季斌7等对水泵水轮机压力脉动幅频特性和传播规律进行了大量的试验和数值模拟研究,并总结提出了减轻抽水蓄能机组和厂房振动的方法
3、。为了提高压力脉动数值模拟的准确度,YIN8、刘德民9等基于水的弱可压缩性计算了水泵水轮机无叶区压力脉动,得出了与模型试验较为吻合的压力脉动幅频特性;在湍流模型选择方面,学 者 分 析 了 SST10、SST k-11、基 于 DCNM 的 LES12、RNG K-X13、基于单方程 Spalart-Allmaras 的 DES14等湍流模型的计算准确度,为压力脉动的数值模拟提供了指导。在改善无叶区压力脉动方面,则可采用长短叶片15、调整叶片倾角和型线16-20、选择合适的叶片数和导叶数21、采用非同步导叶22等方法。综上所述,目前学者对水泵水轮机无叶区压力脉动的产生机理、传播规律、数值模拟等
4、有深入的研究,压力脉动改善则主要通过几何尺寸选择、转轮叶片型线优化等方法实现,而在活动导叶优化对无叶区压力脉动的影响方面研究较少。本文针对东方电机正在开发的某抽水蓄能电站变速水泵水降低变速水泵水轮机无叶区压力脉动的活动导叶优化研究倪晋兵1,李国凤2,郑津生2,邓磊1,王秀玲2(1国网新源控股有限公司抽水蓄能技术经济研究院,北京市100761;2东方电气集团东方电机有限公司,四川省德阳市618000)摘要:通过数值模拟,研究了某变速水泵水轮机活动导叶型线优化后水轮机工况内部流场、无叶区压力脉动和效率的变化情况,分析了活动导叶优化对水泵工况水力性能的影响。结果表明:活动导叶优化后,水轮机工况内部流
5、态改善,无叶区压力脉动幅值减小,效率提高,且部分负荷时的效果更为明显,在最小水头 40%负荷,活动导叶优化后无叶区压力脉动幅值减小了 1.2%,效率提高了 1.64%;活动导叶优化对水泵工况的水力性能无不利影响,且最低扬程下的流道效率提高了 0.1%,无叶区压力脉动幅值减小了 0.2%,说明活动导叶优化是提高变速水泵水轮机稳定性能和能量性能的有效手段。关键词:变速水泵水轮机;无叶区压力脉动;活动导叶优化中图分类号:TK734文献标识码:A学科代码:570.30DOI:10.3969/j.issn.2096-093X.2023.04.001基金项目:国网新源控股有限公司科技项目“400m 水头级
6、变速水泵水轮机模型水力特性关键技术研究”(52573020000V)。2水电与抽水蓄能Hydropower and Pumped Storage第 9 卷 第 4 期(总第 50 期)2023 年 8 月 20 日Vol.9 No.4(Ser.50)Aug.,20,2023轮机进行活动导叶优化,通过数值模拟对比分析了活动导叶优化前后水轮机工况流态、无叶区压力脉动和流道效率的变化情况,并研究了活动导叶优化对水泵工况效率和压力脉动的影响。1数值计算模型1.1几何模型所研究的变速水泵水轮机模型基本几何参数如表 1 所示。本文主要研究活动导叶优化对无叶区压力脉动的影响,为提高活动导叶和转轮区域的计算精
7、度,节省计算资源,省略了蜗壳,尾水管保留直锥段,计算域三维模型如图 1 所示,活动导叶优化前后型线如图 2 所示。表 1水泵水轮机模型基本几何参数Table1 Thebasicparameterofpumpturbine参数数值转轮高压边直径/mm507.0转轮低压边直径/mm260.0转轮叶片数/个5+5活动导叶数/个16 图 1水泵水轮机计算域模型Figure 1The simulation model of pump turbine1.2网格划分计算域采用六面体结构网格,利用 ANSYS ICEM 对固定导叶和尾水管直锥段进行网格划分,活动导叶和转轮分别采用 Turbogrid 和 NU
8、MECA 进行网格划分,对网格边界层进行局部加密和平滑过渡,以便更好地解析边界层的流动特征。为了验证数值模拟的有效性,对水轮机额定工况进行网格无关性检验,如图 3 所示:随着网格数的增加,计算误差减小,网格数大于 785.9 万以后,误差小于 3%且基本不再变化。因此,最终确定计算域网格单元总数为 785.9万,其中,固定导叶为 185.4 万,活动导叶 278.0 万,转轮312.7 万,尾水管 9.8 万,活动导叶和转轮网格如图 4、图5 所示。yx优化前优化后图 2活动导叶优化前后型线对比Figure 2Comparison of guide vane before and after
9、the optimization 2.32.252.22.12.154005006007008009001000网格数/万误差/%图 3网格无关性检验Figure 3Analysis of grid independence 图 4活动导叶网格细节图Figure 4The mesh of guide vane3倪晋兵等:降低变速水泵水轮机无叶区压力脉动的活动导叶优化研究低压侧头部高压侧头部图 5转轮网格细节图Figure 5The mesh of runner1.3湍流模型及边界条件数值计算结果准确与否和湍流模型的选取及边界条件的设置密切相关。SST k-模型综合了 k-模型和 k-模型的优点
10、,能有效模拟近壁面处的黏性底层流动以及自由剪切层流动,更为准确地捕捉活动导叶尾迹压力脉动11,因此,本文采用 SST k-模型,该模型数学表达式如式(1):kkkk()()iiijiiijkkuGYSxxxuGYDSxxx=+-+=+-+(1)式中:为流体密度;k 为湍动能;为湍流耗散率;ui为平均速度分量;i,j=1,2,3;kG为由平均速度梯度引起的湍动能 k 的产生项;G为湍流耗散率 的生成项;k为湍动能 k 的有效扩散项;为湍流耗散率 的有效扩散项;Yk为湍动能 k 的扩散项;Y为湍流耗散率 的扩散项;D为正交扩散项;Sk为湍动能的源项;S为湍流耗散率的源项。利用 ANSYS CFX
11、进行数值模拟,固壁面设为无滑移边界,近壁面采用标准壁面函数。在水轮机工况,进口边界为压力进口,进口流动方向为蜗壳出口流速方向,尾水管出口采用自由出流,出口相对静压为 0Pa;在水泵工况,采用自由进口、流量出口的边界条件。定常计算中静静交界面采用none 类型,动静交界面采用 Frozen Rotor 类型;在非定常计算中,静静交界面采用 none 类型,动静交界面采用 Transient Rotor-Stator 类型,时间步长为转轮旋转 1 度的时间,每个时间步长内最大迭代次数为 10 次,收敛残差为 1.010-5。1.4工况点选取水泵水轮机的水轮机工况无叶区压力脉动大于水泵工况,而水轮机
12、在低水头、部分负荷下的压力脉动幅值较大23,因此,选取最小水头 40%负荷、最小水头 70%负荷和额定水头100%负荷 3 个水轮机工况进行计算,各工况点参数如表 2 所示;水泵工况选取最大扬程、最优扬程、最小扬程 3 个工况点进行计算,工况点参数如表 3 所示。表 2水轮机工况点参数Table2 Parameterofturbinecondition工况点名称工况点位置单位转速/(r min-1)OP1最小水头 40%负荷42.1OP2最小水头 70%负荷42.1OP3额定水头 100%负荷41.0表 3水泵工况点参数Table3 Parameterofpumpcondition工况点名称工
13、况点位置模型流量/(L s-1)OP4最高扬程工况220OP5最优扬程工况252OP6最低扬程工况2682计算结果与分析2.1水轮机工况计算结果分析2.1.1无叶区及转轮内部流态分析图 6 图 8 为活动导叶优化前后最小水头 40%负荷(OP1)、最小水头 70%负荷(OP2)、额定水头 100%负荷(OP3)下活动导叶、无叶区和转轮中间截面的湍动能云图和流线图。由图 6 可知,OP1 工况,活动导叶优化前,无叶区和转轮内出现图 6(a)中 A、B、C 3 处高湍动能区域,活动导叶出口上冠和下环侧、无叶区、叶片表面、转轮内出现多个覆盖范围较大的复杂流动旋涡,如图 6(c)中 D、E、F 区域;
14、活动导叶优化后,流道内的湍动能明显降低,活动导叶出口处的旋涡消失,无叶区高速旋涡明显削弱,活动导叶和转轮叶片表面流线更为光顺。由图 7 可知,OP2 工况,活动导叶优化前,在转轮内出现如图 7(a)中 A、B 两处所示的高湍动能区域,活动导叶出口上冠和下环侧、无叶区、叶片表面、转轮内出现图 7(c)中 C、D、E 区域所示的旋涡;活动导叶优化后,流道内的湍动能降低,活动导叶出口处的旋涡消失,无叶区旋涡减少,活动导叶和转轮叶片表面流线更为光顺。由图 8 可知,OP3 工况,导叶优化前,在转轮流道内出现如图 8(a)中 A 所示的高湍动能区域,无叶区、活动导叶和转轮内流线均较为平顺,仅活动导叶出口
15、靠上冠侧出现了如图 8(b)中 B 区域所示的部分旋涡结构;活动导叶优化后,湍动能降低,活动导叶出口靠上冠侧的旋涡消失。综上可见,所研究的变速水泵水轮机在最小水头 40%负4水电与抽水蓄能Hydropower and Pumped Storage第 9 卷 第 4 期(总第 50 期)2023 年 8 月 20 日Vol.9 No.4(Ser.50)Aug.,20,2023荷时湍流强度较大,最小水头 70%负荷时的湍流强度次之,额定水头 100%负荷时的湍流强度最小,流线也最为光顺;活动导叶优化后流道内的湍动能减小,无叶区、活动导叶和转轮内的流态得以改善,且最小水头 40%负荷和 70%负荷区
16、域的改善效果更明显。2.1.2压力脉动特性分析为了研究活动导叶优化前后无叶区压力脉动的变化及其随径向距离变化的规律,在+X、-X、+Y、-Y 4 个方向上分别设置了 4 个计算监测点,如图 9 所示。图 10 为活动导叶优化前后无叶区各计算监测点压力脉动混频幅值。由图 10 可见,计算的 3 个水轮机工况无叶区压力脉动幅值大小关系为:OP1 OP2 OP3,这是由于 40%负荷和 70%负荷时水泵水轮机内部流动紊乱,旋涡对流动有阻滞作用,造成活动导叶与转轮之间的动静干涉增强,压力脉动幅值增大;压力脉动混频幅值均随径向距离的增加而减小,且在最小水头 40%负荷(OP1)下,压力脉动幅值随径向距离
17、变化的幅度更大;活动导叶优化后,最小水头 40%负荷(OP1),+X 方向 297mm 和+Y 方向 290mm 两个计算监测点压力脉动幅值升高 0.4%,其余监测点压力脉动幅值均明显减小,-Y 方向 290mm 计算监测点压力脉动幅值减小最为显著,图 6OP1 工况湍动能云图和流线图Figure 6Turbulence kinetic energy contours and streamlines of OP1 condition5倪晋兵等:降低变速水泵水轮机无叶区压力脉动的活动导叶优化研究达 1.2%;最小水头 70%负荷(OP2),活动导叶优化后所有计算测点压力脉动均减小,-Y 方向 2
18、90mm 计算监测点压力脉动减小最为明显,达 0.6%;额定水头 100%负荷(OP3),活动导叶优化后所有计算监测点压力脉动均减小,+X 方向310mm 处计算监测点压力脉动减小最为明显,达 0.3%。由此可见,活动导叶优化后水轮机工况无叶区压力脉动减小,且最小水头 40%负荷的减小效果更为明显。图 11 为活动导叶优化前后无叶区计算监测点压力脉动频域图。由图 11 可得,最小水头 40%负荷(OP1)活动导叶优化前后各计算监测点压力脉动第一主频均为叶片通过频率,即10 倍转动频率 10fr,第二主频为 0.5 倍叶片通过频率 5fr,相比于 OP2 和 OP3,该工况压力脉动频谱成分复杂,
19、存在多个幅值不同的低频成分,这是由于水轮机工况部分负荷下内部流动紊乱造成的;最小水头 70%负荷(OP2)导叶优化前后各计算监测点压力脉动第一主频均为叶片通过频率 10fr,第二主频为 0.5倍叶片通过频率 5fr;额定水头 100%负荷(OP3)导叶优化前各计算监测点压力脉动第一主频均为 2 倍的叶片通过频率 20fr,第二主频均为 1 倍的叶片通过频率 10fr,优化后各计算监测点压力脉动第一主频均为叶片通过频率 10fr,第二主频为 2 倍叶片通过频率 20fr。所研究的变速水泵水轮机采用了 5+5 长短叶图 7OP2 工况湍动能云图和流线图Figure 7Turbulence kine
20、tic energy contours and streamlines of OP2 condition6水电与抽水蓄能Hydropower and Pumped Storage第 9 卷 第 4 期(总第 50 期)2023 年 8 月 20 日Vol.9 No.4(Ser.50)Aug.,20,2023片,因此 5fr、10fr、20fr均为动静干涉频率及其谐波频率。2.1.3效率分析活动导叶优化前后 OP1、OP2、OP3 工况下的流道效率计算结果如图 12 所示。由图 12 可见,活动导叶优化后,最小水头 40%负荷时效率提升了 1.64%,最小水头 70%负荷时效率提升 0.4%,额
21、定水头 100%负荷时效率提升 0.15%。由此可见,降低水轮机工况无叶区压力脉动的活动导叶优化也同样能提高其流道效率,且在部分负荷时效率提升更为显著。2.2水泵工况计算结果分析图 13 为活动导叶优化前后水泵工况最高扬程(OP4)、最优扬程(OP5)和最低扬程(OP6)流道效率比较,图 14 为活动导叶优化前后最高扬程(OP4)和最低扬程(OP6)无叶区计算监测点 FX、FY、ZX、ZY 压力脉动混频幅值比较。由图13 和图 14 可见,活动导叶优化后,水泵工况最高扬程(OP4)流道效率不变,无叶区压力脉动幅值也基本没有变化;最优扬程(OP5)和最低扬程(OP6)的流道效率提升了 0.1%,
22、最低扬程(OP6)无叶区压力脉动幅值减小了 0.2%。由此可见,对于所研究的变速水泵水轮机,降低水轮机工况无叶区压力脉动的活动导叶优化对水泵工况的能量性能和稳定性能无不利影响。图 8OP3 工况湍动能云图和流线图Figure 8Turbulence kinetic energy contours and streamlines of OP3 condition 7倪晋兵等:降低变速水泵水轮机无叶区压力脉动的活动导叶优化研究 图 9无叶区压力脉动计算监测点Figure 9Monitoring point location in vaneless zone3结论本文针对东方电机正在研发的某变速水泵
23、水轮机活动导叶型线进行优化,通过数值模拟研究了活动导叶优化前后水轮机工况最小水头 40%负荷、最小水头 70%负荷和额定水头100%负荷 3 个工况下的内部流态、无叶区压力脉动和流道效率变化情况,分析了活动导叶优化对水泵工况水力性能的影响,得出以下结论:(1)活动导叶优化后,水轮机工况流道内的湍动能减小,流态得以改善,无叶区压力脉动减小,流道效率提高,且部分负荷时的效果更为明显;最小水头 40%负荷时压力脉动减小了 1.2%,效率提升了 1.64%;最小水头 70%负荷时压力脉动减小了 0.6%,效率提升了 0.4%;额定水头 100%负荷时压力脉动减小了 0.2%,效率提升了 0.15%。3
24、1030530029529024681012141618混频幅值/%+X方向监测点径向距离/mmOP1_优化前OP2_优化前OP3_优化前OP1_优化后OP2_优化后OP3_优化后OP1_优化前OP2_优化前OP3_优化前OP1_优化后OP2_优化后OP3_优化后OP1_优化前OP2_优化前OP3_优化前OP1_优化后OP2_优化后OP3_优化后OP1_优化前OP2_优化前OP3_优化前OP1_优化后OP2_优化后OP3_优化后31030530029529024681012141618混频幅值/%+Y方向监测点径向距离/mm3103053002952902468101214161820混频幅值
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