叶片几何参数对水轮机稳定性的影响

1、叶片几何参数对水轮机稳定性的影响 1刘胜柱,罗兴锜,郭鹏程北京西安理工大学,西安 (710048E-mail :摘 要:本文主要从水力设计出发,根据叶片几何参数的变化,在不同工况下,利用 CFD 技术对叶片的压力分布、 速度矢量变化、 流线分布和叶片出水边环量变化的情况进行了分析。 并将 CFD 分析的结果与模型试验中转轮涡带、叶片脱流情况及叶片应力计算结果进行了对 比。 探讨了叶片进口冲角对叶片头部脱流的影响、 叶片出水边环量变化对转轮出口涡带的影 响和叶片形状对叶片应力分布情况的影响。 最后总结了叶片几何参数的变化对水轮机稳定性 的影响。关键词:水轮机; CFD 分析;稳定性;涡带;脱流;

2、出口环量1.引言水轮机出现的振动及裂纹一直困扰着水轮机工作者, 由于水轮机工作的特殊性, 在导叶 小开度情况下,叶片进口冲角很大,绕流不好,造成叶片进口脱流及叶道涡。另外,由于叶 片出口正环量很大, 在转轮出口产生能量很大的旋转涡带, 直接撞击尾水管边壁, 产生巨大 的撞击和噪音, 这些都是造成水轮机不稳定的主要因素。 所以, 如何降低上述因素出现的范 围,使水轮机在 40%100%出力范围内处于稳定运行区域,成为水轮机设计者和科研工作 者追求的目标。 目前, 我国已经投入运行的国内外生产的大型水电机组都不同程度的存在振 动问题或裂纹问题,例如,五强溪电站、岩滩电站 1、二滩电站、天生桥一级电

3、站 2、隔河 岩电站、李家峡电站、大朝山电站、小浪底电站等。电站运行出现振动或叶片裂纹问题,不 仅直接影响电站的经济效益, 而且对工作环境的影响较大, 影响运行人员的身心健康。 所以, 稳定性问题一直是很难解决的且必须重视的问题。 水轮机振动产生的原因很多, 本文从水力 设计出发,通过改变叶片几何参数,在变工况情况下,对叶片的压力分布、速度矢量变化、 流线分布、 环量变化情况进行 CFD 分析。 探索叶片头部撞击、 脱流和转轮出口旋转涡带变化 对稳定性的影响。通过 CFD 分析和试验相结合,提出叶片几何形状对水轮机稳定性的影响, 研究扩大水轮机稳定运行范围。2.进水冲角对稳定性的影响叶片进水冲

4、角不仅影响水轮机的性能, 而且关系到叶片叶道涡及叶片脱流的产生, 它直 接导致水轮机的振动。 在试验过程中, 当叶片出现脱流时, 整个试验台的振动声响立即增大, 噪音急剧上升, 地面感觉震动。 脱流是产生水力振动的主要原因之一。 由于水轮机的工作特 性,在整个运行工况不可避免出现叶道涡,如何减少振动范围,使水轮机在 40%100%出 力范围内处于稳定运行,是目前水轮机工作者追求的目标。经过大量的 CFD 分析结果可以 看出,叶片头部靠近上冠附近,在叶片工作面附近速度很低,在小负荷工况下,会出现二次 流,极易出现脱流和涡带,从文献 3的计算结果也可以得出同样结论。采用负倾角叶片头部 可以缓解此现

5、象的出现。下面以岩滩电站改造为例进行 CFD 和试验结果对比分析。改造前叶片为传统叶片,改 造后为负倾角叶片,模型转轮直径为 350mm ,计算和试验水头为 30m ,单位转速为 75rpm 。1本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金(项目编号:20040700009的资助。图 1(a为改造前导叶开度为 12mm 时的速度矢量 CFD 分析结果;图 1(b为改造后导叶开度 为 12mm 时的速度矢量 CFD 分析结果;图 2(a为改造前导叶开度为 12mm 时进口流态试验 结果; 图 2(b为改造后导叶开度为 12mm 时进口流态试验结果; 图 3(a为改造前导叶开度为 16mm 时的速度矢

6、量 CFD 分析结果;图 3(b为改造后导叶开度为 16mm 时的速度矢量 CFD 分析结果; 图 4(a为改造前导叶开度为 16mm 时进口流态试验结果; 图 4(b为改造后导叶开 度为 16mm 时进口流态试验结果。为了计算结果的相似性,计算是在相同导叶、相同水头、相同单位转速下进行。从计算 结果可以看出,负倾角叶片延缓出现脱流。对水轮机稳定性是有利的。图 2(a和图 2(b为负 倾角叶片与传统叶片在部分负荷下试验结果。负倾角叶片延迟了叶片吸力面脱流的产生, 而加速了工作面脱流的产生, 由于工作面脱 流产生的单位转速很高, 所以, 在负倾角叶片情况下, 工作面脱流的产生区域已经不在水轮 机

7、运行范围内, 而叶片吸力面脱流产生范围也不在水轮机运行范围内, 因此, 负倾角叶片延 迟了水轮机运行范围内脱流的产生。从 CFD 分析和试验结果对比分析, CFD 分析结果与试 验结果是一致的。从 CFD 分析结果可以看出,在图 1(a和图 3(a均出现二次流,与对应的试验结果可以 看出均出现不同程度的脱流。 从图 2(a和图 4(a可以看出在叶片头部均出现不同程度的脱流。 而图 1(b和图 3(b没有出现二次流,试验结果中对应的图 2(b和图 4(b叶片进口没有出现脱 流。另外,负倾角叶片与传统叶片相比还有一大特点,负倾角叶片 95%限制流量与最优流 量之比较大,而传统叶片 95%限制流量与

8、最优流量之比相对较小,负倾角叶片 95%限制流 量与最优流量之比大约为 1.4左右,而传统叶片 95%限制流量与最优流量之比大约为 1.2左 右。所以负倾角叶片与传统叶片相比大约多出 10%的稳定运行区域。 (a 改造前 (b 改造后(a before redesigning (b after redesigning图 1 导叶开度为 12mm 时的速度矢量Fig.1 velocity vectors at 12mm guide vane opening (a 改造前 (b 改造后 (a before redesigning (b after redesigning 图 2 导叶开度为 12m

9、m 时的进口试验结果Fig.2 inlet flow pattern at 12 mm guide vane opening (a 改造前 (b 改造后 (a before redesigning (b after redesigning 图 3 导叶开度为 16mm 时的速度矢量Fig.3 velocity vectors at 16 mm guide vane opening (a 改造前 (b 改造后 (a before redesigning (b after redesigning 图 4 导叶开度为 16mm 时的进口试验结果Fig.4 inlet flow pattern at

10、16 mm guide vane opening3.叶片出口环量的影响叶片出水边环量的变化, 影响转轮出口涡带的变化, 一般情况下, 水轮机在最优工 况点为法线出口, 出口环量基本为零或出口环量较小。 如果控制出口环量, 可以适当控制出 口旋转涡带的产生。 即出力限制线流量与最优流量之比大的情况, 水轮机稳定运行范围变大。 根据文献 4,在转轮出口为法向出口时,环量为零,此时为无涡带;在特性曲线最优工况的 左侧,出口环量为正,此时涡带为旋转涡带,为不稳定涡带;在特性曲线最优工况的右侧, 出口环量为负,此时涡带为柱型涡带,为稳定涡带。出力限制线流量与最优流量之比越大, 水轮机稳定运行区域越大。

11、所以, 适当改变叶片出水边环量, 可以扩大水轮机稳定运行区域。 下面是 CFD 分析结果与试验结果对比分析,图 5是改造前后导叶开度为 12mm 时转轮 出口环量分布;图 6是改造前导叶开度为 12mm 时转轮出口涡带试验结果;图 7是改造后 导叶开度为 12mm 时转轮出口涡带试验结果;图 8是改造前后导叶开度为 16mm 时转轮出 口环量分布;图 9是改造前导叶开度为 16mm 时转轮出口涡带试验结果;图 10是改造后导 叶开度为 16mm 时转轮出口涡带试验结果。从 CFD 分析结果与试验结果对比可以看出,出口环量对涡带的影响主要是靠近上冠附近叶 片出口环量的影响较大,靠近下环附近叶片出

12、口环量的影响较小。 图 5 改造前后开度为 12mm 图 6 改造前开度为 12mm 图 7 改造后开度为 12mm 时转轮出口环量分布 时出口涡带试验结果 时出口涡带试验结果 Fig.5 difference of outlet circulation Fig.6 outlet vortex strip at 12 Fig.7 outlet vortex strip at 12 at 12 mm guide vane opening mm guide vane opening mm guide vane opening before redesigning after redesigning

13、 图 8 改造前后开度为 16mm 图 9 改造前开度为 16mm 图 10 改造后开度为 16mm 时转轮出口环量分布 时出口涡带试验结果 时出口涡带试验结果 Fig.8 difference of outlet circulation Fig.9 outlet vortex strip at 16 Fig.10 outlet vortex strip at 16 at 16 mm guide vane opening mm guide vane opening mm guide vane opening before redesigning after redesigning4.叶片应力分

14、布负倾角叶片与传统叶片相比, 不仅具有好的稳定性, 而且还具有好的应力分布规律, 通 过应力分析可以看出, 在厚度基本相同的情况下, 负倾角叶片与传统叶片相比, 具有好的应 力分布规律。图 11和图 12是传统叶片与负倾角叶片应力计算结果,从结果比较可以看出, 负倾角叶片具有明显优势。 尤其是负倾角叶片应力分布均匀, 所以说负倾角叶片具有良好的 抗裂纹能力。 图 11 传统叶片应力计算结果 图 12 负倾角叶片应力计算结果Fig.11 stress calculation of Fig.12 stress calculation oftraditional runner blade negat

15、ive incidence blade5.结论根据 CFD 分析结果,传统叶片头部靠近上冠附近,在叶片工作面附近速度很低,在小 负荷工况下, 极易出现涡带。 叶片进口冲角对叶片脱流影响较大, 负倾角叶片可以延缓叶片 脱流的产生; 叶片出水边环量的变化, 影响转轮出口涡带的变化, 出力限制线流量与最优流 量之比越大, 水轮机稳定运行区域越大, 适当改变叶片出水边环量, 可以扩大水轮机稳定运 行区域; 叶片出口环量对涡带的影响主要是靠近上冠附近的环量大小; 负倾角叶片限制线流 量与最优流量之比较大,稳定运行区域加大;负倾角叶片应力分布均匀,抗裂纹能力增强; 另外,水轮机的振动取决于转轮的各种频率,

16、最好固有频率、转频、压力脉动主频等相互错 开,当有冲突时,适当改变几何形状、叶片数、通道形状可以错开共振区。可见,叶片几何 形状对改善水轮机稳定性具有重要意义。参考文献1 唐培甲 . 岩滩水电站水轮机振动问题的研究 J. 红水河, 2000(3.2 何捍东 . 天生桥一级水电站水轮机振动原因分析 J. 红水河, 2001(4.3 高忠信等 . 水轮机转轮内部三维粘性流动计算与性能预测 J. 水利学报, 2001(7.4 程良俊 . 水轮机 M. 北京,机械工业出版社 ,1981. Effect of Blade Geometric Parameters upon Hydraulic Turbi

17、ne Stability Liu Shengzhu，Luo Xingqi，Guo Pengcheng Xian University of Technology，Xian (710048 Abstract In this paper the effect of the variation of the blade geometric parameters upon the stability of the hydraulic turbine was analyzed extensively from the angle of hydraulic design. On different wor

18、king conditions, the pressure distribution, the velocity vector variation and the streamline distribution on the blade profile are influenced by the variation of the blade geometric parameters respectively, and the stability of the hydraulic turbine is influenced by the blade tip impact and stall, and influenced by the variation of the blade outl