三峡水轮机的三维非定常湍流计算和压力脉动分析_图文

1、三峡水轮机的三维非定常湍流计算和压力脉动分析邵奇，刘树红，戴江，清华大学热能工程系；国长江三峡工程开发总公司摘要：本文对三峡混流式水轮机全流道进行了三维非定常湍流计算，得到水轮机的非定常流场，预测了尾水管内、转轮前、活动导叶前、固定导叶前和蜗壳进口的压力脉动。通过与模型试验结果的比较看出计算能够比较准确的预测尾水管内压力脉动。同时，分析了尾水管内非定常涡带产生和传播的原理。并通过对水轮机内各测点压力脉动的分析表明，尾水管内涡带和转轮与活动导叶间的动静干扰是产生压力脉动的两个主要脉动源，在整个水轮机流道内传播。关键词：混流式水轮机：非定常流；数值模拟：压力脉动；尾水管涡带概述近年来水电开发中，随

2、着混流式水轮机比转速的提高和转轮尺寸的大幅度增大，水轮机在稳定运行方面出现的问题越来越多，】。包括：运行时间不长，转轮叶片就发生裂纹；在部分负荷工况下，尾水管中会形成偏心涡带，引起尾水管内水流的脉动，造成水轮机出力摆动加大，机组振动加剧，甚至与厂房产生共振，成为机组安全稳定运行的重大隐患。本文中，直接对三峡混流式水轮机全流道进行三维非定常湍流计算，模拟水轮机中的兰维非定常湍流，准确的预测了尾水管内、转轮前、活动导叶前、固定导叶前和蜗壳进口的压力脉动，并利刖变换对各个测点的压力信号进行分析，分祈了尾水管内非定常涡带产生和传播的原理，并得出了水轮机全流道内压力脉动产生和传播的原理。数值计算方法应用

3、不可压缩的连续方程和平均的方程，模拟水轮机中的流动，同时使用一占双方程湍流模型【】使方程组封闭。混流式水轮机中，由于转轮的转动，分别与上游导叶和下游尾水管形成两级动静干扰。本计算采用滑移网格模型】，在转轮进口前和转轮出口后形成两个网格滑移面，模拟动静干扰的流场。计算中，转轮部件的网格相对于导叶和尾水管部件的网格转动，不要求交界面两侧的网格结点相互重合。各部件的计算同时进行，并且在交界面处，保证插值后速度分量和湍流量一致，同时保证积分后压力和流动通量一致。采用有限体积法对非结构化网格下的控制方程在空间上进行离散。在时间离散上，采用二阶全隐式格式【。对控制方程中的源项和扩散项应用二阶中心格式，对控

4、制方程中的对流项应用二阶迎风格式。每个刚间步上，应用方法进行离散方程的求解，当计算收敛后，时间步向前推进，同时转轮网格相应转动到新的位置，开始进行新时间步上的计算。在本计算中，时间步长选为的转轮转动周期。进口边界条件：在进上，给定速度哥，湍动能和湍流耗散率占。出口边界条件：在出口面上，定义速度，湍动能七和湍流耗散率占沿出方向的梯度为。壁面边界条件：在壁面处应用无滑移边界条件，近壁区应用标准壁面函数。初始流场条件：固定转轮在一个固定位置，通过三维定常湍流计算得到定常流场结果，作为初始流场。计算对象本次计算对象为经过改型设计的三峡原型水轮机：转轮叶片数，转轮直径，转速，固定导叶数（包括鼻段隔舌），

5、活动导叶数；最大水头，额定水头。，最小水头。采用适应性强的非结构化四面体网格划分空间复杂的蜗壳、转轮和尾水管部分，采用非结构化六面体网格划分空间简单的导水机构部分。最终把水轮机整个流道划分为节点数为，、单元数为，的计算网格。计算结果和分析尾水管压力铡面和；水部件测点为了使于分析尾水管内涡带的流动情况，并与模型水轮机试验结果进行比较，在尾水管内截取三个与模型试验压力测点对应的截面，记录下这三个截面上的流场数据随时间变化的情况，如图所示。其中，测面、上在靠近下游侧和上游侧布置个模型试验的测点，分别记为、（代表下游侧测点，代表上游侧测点）。为了便于分析引水部件的压力脉动情况，分别在水轮机蜗壳进口、固

6、定导叶前、活动导叶前和转轮前布置个压力测点，如图所示。尾水管内非定常涡带的形态以：。工况计算结果为例，分析尾水管内非定常涡带的形态。图为工况下，尾水管截面的压力分布图。可以看出，尾水管涡带为一个从直锥段入直至弯肘段的偏心涡带，涡带中心处的压力明显低于外部。图为工况下，尾水管测面的压力分布随时间变化图。可以看出，尾水管的偏心涡带随着转轮的转动，绕尾水管轴心旋转，在部分负荷工况下，涡带旋转方向与转轮转动方向相同。幽尾水管测压面示意图图引水部件压力测点示意图图工况尾水管截面压力分布图图工况尾水管测面的压力分布随时间变化图压力脉动幅值的计算结果分析在四个部分负荷工况下，分别对水轮机内的非定常流场进行了

7、模拟，记录下引水部件个测点和尾水管个测点的压力随时问变化的情况，可以得到压力脉动的峰峰值，并计算出峰峰值与总水头的比值，即压力脉动的幅值。对尾水管六个测点的脉动幅值数据进行分析，可知：（）同一测面上个测点的压力脉动幅值相差不大。这说明，尾水管内压力脉动传播过程中，在同一截面上各点的脉动能量传播保持平衡。（）测面上的点压力脉动幅值是测面、上的点压力脉动幅值的倍左右，而测面、上的点压力脉动幅值比较接近，脉动较强。这说明，尾水涡带从转轮出口开始发展，在弯肘段的、截面处发展到最强，最后流过支墩，直至出口。因此，取测面上、点中压力脉动幅值较大者，作为尾水管内总体压力脉动的幅值，并与试验结果比较，同时将引

8、水部件个测点的压力脉动幅值记录下来，列表如下所示。同一工况下，比较引水部件个测点和尾水管内的压力脉动幅值，可以看出：（）尾水管内的压力脉动幅值最大，说明了，尾水管内的压力脉动是影响水轮机稳定运行和造成压力脉动及噪声的最重要因素，需要通过合理的水力设计，降低尾水管内的压力脉动。（）尾水管内的压力脉动幅值最大，转轮前、活动导叶前、固定导叶前和蜗壳进口的压力脉动幅值依次减小，说明了，尾水管涡带是水轮机中压力脉动的最主要脉动源，它的压力脉动在水轮机中从尾水管向上游传播，造成了从尾水管到引水部件压力脉动的逐渐减弱。（）尾水管内的压力脉动，大部分工况下计算结果和试验结果接近，只在工况预测出更大的压力脉动，

9、说明了计算预测压力脉动的准确和安全性。表四个部分负荷工况下水轮机各测点压力脉动幅值计算结果及与试验的比较压力脉动频谱的计算结果分析 在四个部分负荷工况下，记录下备测点的压力随时问变化的计算结果，并对这些信号进行变换，町以得到各测点的压力脉动的时域图和频谱图，并记录下压力脉动的主频值。图至图分别为工况岛。胆下，蜗壳进口测点、转轮前测点和尾水管测点的压力脉动时域图和频域图。可以看出，各个测点上，压力随时间周期性的变化。固定导叶前测点、活动导叶前测点的压力脉动时域图和频域图，与蜗壳进口测点的类似，本文中略去示意图。图工况尾水管测点的压力脉动时域图；：图工况蜗壳进口测点的压力脉动频域图图工况转轮前测点

10、的压力脉动频域图伸图工况尾水管测点的压力脉动频域图表为四个部分负荷工况下，引水部件个测点和尾水管个测面的压力脉动主频的比较。同一工况下，比较引水部件个测点和尾水管个测面的压力脉动主频。可以看出：（）尾水管内的压力脉动都是低频压力脉动，主频一般是，左右，为转频的倍左右。尾水管涡带的压力脉动为水轮机中压力脉动的主要脉动源。（）转轮前主要存在转轮转频的叶片数（）倍，即相同的中频压力脉动，与尾水管内相同的低频压力脉动，同时频谱分布较广。这说明了由于转轮的转动，在和导叶的动静干涉作用下，产生了转频叶片数倍的中频压力脉动，这是水轮机中压力脉动的次要脉动源：同时，压力脉动在整个水轮机中可以传播，尾水管内的压

11、力脉动向上游传播到转轮前，引起转轮前的低频压力脉动。（）引水部件内主要存在与尾水管内、相同的低频压力脉动，转轮转频的叶片数（）倍，转频的倍叶片数（）倍相同的中频压力脉动。这说明了压力脉动在整个水轮机中的传播过程，转轮和尾水管内的压力脉动可以传播到引水部件，引起引水部件内的低频和中频压力脉动。结论（）通过与试验结果的对比，可以看出通过本文的数值模拟方法，能够较准确的预测水轮机尾水管内的压力脉动。因此可以在水轮机设计过程中，运用本数值模拟方法进行压力脉动预测，提高所设计水轮机的稳定性能。（）尾水管中的低频压力脉动能量幅值最大，是影响水轮机稳定运行和造成压力脉动及噪声的最重要因素。转轮前的中频压力脉动能量幅值次之，同时脉动频域范围较广，也是影响水轮机稳定运行的重要因素。（）尾水管内的低频压力脉动，转轮与活动导叶间动静干扰产生的中频压力脉动是水轮机的两个主要压力脉动源。其中尾水管内的低频压力脉动，主频一般是转频的一倍左右：转轮前的中频压力脉动，主要为转轮转频的叶片数倍。（）尾水管内的压力脉动向上游传播，引起了转轮前、固定导叶前、活动导时前和蜗壳进口的低频压力脉动，同时能量幅值逐次递减：转轮前动静干扰产生的中频压力脉动向上游传播，引起固定导叶前、活动导叶前和蜗壳进口的中频压力脉动，同时能量幅值逐次递减。 参考文献 【】 【