基于数值模拟的混流式水轮机顶盖内流场分析论文_李万

哈尔滨电机厂有限责任公司 黑龙江哈尔滨 150040

摘要:本文以某高水头电站为研究对象,采用数值模拟方法研究了漏水量和顶盖压力分布。分析结果表明水轮机采用适当的止漏环间隙值、装设适当数目的减压排水管和泵板,可以起到减小漏水量、顶盖压力和转轮轴向水推力的效果。

关键词:间隙流道;漏水量;轴向水推力;数值模拟

0 引言

混流式水轮机的应用最为广泛,这种机组形式具有结构紧凑,运行可靠,能适应很宽的水头范围以及满载时效率高等优点。但是国内外许多电站在投产运行后出现了不同程度的顶盖压力过高、主轴密封漏水量大和水力振动问题。工程界对于如何降低顶盖压力和减小主轴密封漏水量,主要是采取设置减压结构的方法。减压排水管、泵板、引水板和卸荷孔等是比较常用的结构形式。

本文以某高水头电站为研究对象,使用ANSYS FLUENT商业软件,采用RNG模型对密封间隙流道和顶盖上腔部分进行数值模拟,得到止漏环处的漏水量和主轴密封处的压力,计算出减压排水管流速,并分析了密封、减压排水管和泵板的减压效果。

1 数值计算方法

本文的计算对象是密封间隙流道和顶盖上腔部分。采用有限体积法在空间上离散控制方程,在时间离散上使用二阶全隐式格式,压力项应用二阶中心差分格式,其他项采用二阶迎风格式,使用SIMPLEC算法实现压力和速度的分离求解。边界条件采用压力进口,压力出口条件[2]。

2 物理模型

以某高水头电站为研究对象,水轮机的参数是额定水头214.5m,最大水头236.0m,转轮直径1600mm,额定转速600r/min,额定流量16.8 m3/s,额定出力33.2MW。原始转轮密封间隙为1.35mm,装设2根Ф80mm减压排水管,泵板为径向式,均布8个。顶盖与转轮上冠间隙流道部分的网格单元数约为825万。新转轮密封间隙为1.0mm,装设4根Ф80mm减压排水管,泵板为斜向式,均布8个。顶盖与转轮上冠间隙流道部分的网格单元数约为880万。

3 压力记录点

为了分析密封、泵板和减压排水管的减压效果,在顶盖与转轮上冠间隙流道部分设置有上止漏环进口(P11)、密封前(P12)、密封中间(P13)、密封后(P14)、中间腔体(P15)和主轴密封处(P16)共6个测点。

4 计算结果与分析

现场试验测得的压力数据作为模拟间隙部分流动时的边界条件。case 1代表额定出力工况,进口压力为1.42MPa,出口压力为0.38MPa。case 2代表空载工况,进口压力为0.95MPa,出口压力为0.26MPa。

4.1 漏水量和主轴密封处压力分析

对间隙流道部分进行数值模拟,可以得到上止漏环处的漏水量,通过计算得到减压排水管的流速。

原始转轮在间隙为1.35mm时的上止漏环处漏水量及减压排水管流速为:case1工况为115.5l/s,11.5m/s;case2工况为90.5l/s,9.0m/s。新转轮在间隙为1.0mm时的上止漏环处漏水量及减压排水管流速为:case1工况为80.6/s,4.0m/s;case2工况为64.4l/s,3.2m/s。

原始转轮在间隙为1.35mm时的主轴密封处测点的压力:case1工况为0.58MPa,case2工况为0.39MPa。新转轮在间隙为1.0mm时的主轴密封处测点的压力:case1工况为0.45MPa,case2工况为0.29MPa。

从以上数据可以看出,新转轮的漏水量较原始转轮的漏水量小,新转轮的减压排水管流速也较小,主要原因是新转轮的止漏环间隙值较小,减压排水管数目增多。新转轮主轴密封处的压力值小于原始转轮主轴密封处的压力值,因此可以预测新转轮主轴密封处的漏水量将会减小。

4.2密封、泵板和减压排水管的减压效果

为了深入分析密封、泵板和减压排水管的减压效果,本文对不同间隙值,不同工况的测点压力值及压力分布进行分析。

原始转轮在间隙为1.35mm时case1工况下的压力为:1.42MPa(P11),1.22MPa(P12),0.92MPa(P13),0.59MPa(P14),0.51MPa(P15),0.51MPa(P16);case2工况下的压力为:0.95MPa(P11),0.82MPa(P12),0.63MPa(P13),0.41MPa(P14),0.34MPa(P15),0.34MPa(P16)。

新转轮在间隙为1.0mm时case1工况下的压力为:1.42MPa(P11),1.15MPa(P12),0.8MPa(P13),0.41MPa(P14),0.4MPa(P15),0.4MPa(P16);case2工况下的压力为:0.95MPa(P11),0.77MPa(P12),0.53MPa(P13),0.27MPa(P14),0.26MPa(P15),0.26MPa(P16)。

文献[3]通过理论分析得出有减压板等减压结构时,作用在顶盖上表面减压板区域的压力是均匀的。从以上压力数值的变化趋势可以看出,压力通过密封后呈下降趋势;在泵板上平板区域,顶盖上的压力分布是均匀的。新转轮顶盖上的压力小于原始转轮的顶盖压力。

通过以上分析可以得出,新转轮在采取适当减小止漏环间隙值、增加减压排水管数量和泵板斜向后,上止漏环漏水量会减小,主轴密封处的压力值减小,进而减小主轴密封的漏水量;新转轮顶盖上的压力小于原始转轮的顶盖压力,进而降低转轮的轴向水推力。

5 结论

(1)减小止漏环间隙值,增加减压排水管数目和泵板斜向后,转轮的上止漏环漏水量减小,主轴密封处的压力值减小,顶盖压力也相应的减小,进而减小主轴密封的漏水量和降低转轮的轴向水推力。

(2)在进行真机设计时,选取适当的止漏环间隙值,装设适当数目的减压排水管和泵板,可以起到较好的减小顶盖压力和减小转轮轴向水推力的效果。

参考文献

[1] Yakhot V.,Orzag S.A..Renormalization group analysis of turbulence:basic theory[J].J.Scient Comput.,1986,1:3-11.

[2] Qian Z.D.,Li W.,Huai W.X.,Wu Y.L..The effect of runner cone design on pressure oscillation characteristics in a Francis hydraulic turbine[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,Part A:Journal of Power and Energy,2012,226(1):137-150.

[3] 马震岳,董毓新.水轮发电机组动力学[M].大连:大连理工大学出版社,2003:120-128.

论文作者:李万

论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第32期

论文发表时间:2018/4/20

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