轴流转桨式水轮机压力脉动数值预测

　　轴流式水轮机是在 20 世纪早期发展起来的水力发电设备, 它的转轮与航空推进器类似, 属于转桨式,即轴流式水轮机的转轮叶片是活动的, 它的导叶也可以随着入流的方向进行调解. 有效地适用于不同流量条件下的工况调节, 以便能够得到更高的效率.近年来, 随着水轮机单机容量及转轮直径的不断增大, 大型水轮机的水力振动及叶片裂纹等稳定性方面的问题越来越突出. 机组振动、轴系摆度和压力脉动是表征水轮机组稳定性的 3 个主要参数, 其中压力脉动产生于机组运行过程的非定常流场, 是引起水轮机组振动及不稳定运行的主要水力振动源之一, 可能引起机组的振动、叶片裂纹甚至厂房的共振,直接威胁整个电站的安全运行, 所以研究水轮机的压力脉动具有十分重要的意义.

　　一般情况下, 因为原型水轮机尺寸巨大, 在水电厂建成前通过对原型水轮机进行现场测试来研究机组的性能几乎没有可能. 通常对模型水轮机进行测量, 再将测量结果根据相似关系进行换算作为原型水轮机的数值来判断其部分性能指标. 但目前在振动和压力脉动上还没有公认的相似规律可循, 因此采用 CFD(computational fluid dynamics)方法对原型水轮机的压力脉动性能进行研究是非常有效的方法之一.

　　从20 世纪 90年代末开始, 对包括转轮在内的水轮机全流道计算开始在大型计算机上进行尝试研究.现今, CFD方法已经被广泛应用于水轮机的设计[1,2],人们己经开始利用雷诺应力模型或大涡模拟等对尾水管内的非定常流进行数值模拟, 并研究涡带的形成及其所引起的压力脉动. Jaeger等人[3]进行了包括转轮和尾水管在内的全流道不稳定模拟计算, 得到了转轮和尾水管动静干涉的脉动信息和尾水管涡带.杨建明等人[4]建立了基于大涡模拟思想而方程结构上类似于时均 k-ε 模型的大涡模拟——双方程模型,对水轮机中的尾水管和转轮进行了计算, 得到了与实验接近的计算结果. Ruprecht 和 Heitele[5]有针对性地进行了水轮机动静干涉的全流道计算, 获得了更为全面的脉动信息.Chen 等人[6]使用大涡模拟的方法模拟了具有蜗壳、固定导叶、活动导叶和转轮的水泵——水轮机内的三维流动, 他们的模拟结果都与实验结果比较一致. 最近, 王正伟等人[7]求解了包括导叶、转轮、尾水管在内的混流式水轮机流道内的三维不稳定雷诺平均N-S方程, 获得了不同开度部分负荷下的尾水管压力脉动特征和涡带特征.

　　对于轴流转桨式水轮机来说, 大多数关于改进设计和水轮机内部流动的研究都是通过三维定常流动计算来开展的. Nilsson 和 Davidson[8,9]使用一种数值流动模拟方法对4种不同工况下转轮内部流动和转轮-转轮室间隙流进行了研究. Muntean等人[10]对蜗壳和活动导叶内的流动进行了研究, 得出不同工况下叶道涡的信息. Tomas 等人[11]使用流动模拟方法对轴流转桨式水轮机的水力设计提出了改进意见.Lindsjö等人[12]计算了轴流转桨式水轮机转轮内空泡的运动. Gehrer 等人[2]使用了CFD方法对轴流转桨式水轮机转轮进行了优化. 但是对于轴流式水轮机全流道压力脉动预测仍然没有获得符合工程精度要求的结果.