高水头混流式水轮机转轮泥沙磨损特性模拟研究
发布时间：2021-11-18 15:05
泥沙磨损是导致混流式水轮机组失效的主要原因之一,特别在水头相对较高时,由于内部流速相对也较高,其磨损问题会更为严重。为研究混流式机组转轮磨损的形成机理,本文根据电站泥沙实测数据统计得到汛期的泥沙平均浓度和粒径,对高水头混流式水轮机在最优开度和小开度两种工况下的固液两相流特性进行数值计算,基于拉格朗日方法模拟颗粒的运动轨迹,选取Oka模型对转轮的磨损特性进行了预测。通过分析转轮内的流动特性、颗粒的运动轨迹和壁面冲击特性,对混流式机组转轮磨损形态的形成原因进行了探讨,并将计算结果与文献中的实际磨损情况进行对比分析。预测的结果表明:采用欧拉-拉格朗日方法可较好地对混流式水轮机转轮的主要磨损区域进行定性的预测;在小导叶开度的偏工况时,转轮内部的涡旋流特性会导致颗粒产生局部富集等现象,从而引起对应区域磨损速率的增加。
【文章来源】：水力发电学报. 2020,39(02)北大核心CSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
数值计算三维流场模型Fig.13-Dcomputationalmodel
唤缑嫔纤?蟹匠讨懈髦治锢?量方程的处理都是隐式、守恒的。计算中蜗壳、活动导叶和转轮计算域采用非结构化四面体单元离散空间结构，固定导叶和尾水管计算域采用非结构化六面体单元离散空间结构，计算时考虑两种不同的开度，分别为机组的最优导叶开度（19°）和小开度（14°），经过网格无关性验证后确定了计算所采用的网格数，最优开度时网格计算节点数129万、单元数381万；小开度时网格节点151万，单元数401万，采用的总体网格和局部网格细节如图2所示。（a）整体网格（b）最优开度导叶网格（c）小开度导叶网格图2计算网格Fig.2Gridsofthecomputationaldomains1.3边界条件与计算方法数值计算中计算域入口设置在蜗壳的进口处，并根据水头的大小给定总压进口条件；计算域出口设置在尾水管出口处，边界条件设置按照平均静压给定；对于计算域中的壁面，过流部件所有固定壁面均给定无滑移的边界条件。交界面采用滑移网格模型来模拟动静干扰流场，交界面两侧的网格结点并不相互重合，整体流道中各部件的计算同时进行，保证交界面处速度分量和湍流量等物理参数的一致，同时保证积分后压力和过流量一致。采用不可压缩流体的连续方程和雷诺平均的N-S方程模拟水轮机中的流动，湍流模型的选择为SSTk-ω模型，数值计算方法采用了Fluent的SIMPLE算法，选取了二阶迎风格式。本文共考虑两种计算工况，均在机组的设计水头下，分别采用最优开度（19°）和小开度（14°）两种情况展开计算。在获取准确的流场信息之后，可以对颗粒的运动轨迹进行计算，进而对磨损进行预测。本文采用DPM（discretephasemethod）方法对颗粒运动进行了追踪，综合考了
116水力发电学报2.2转轮的磨损情况分析磨损形态与颗粒运动轨迹有密切的联系，而流场的改变将导致颗粒轨迹随之变化，因此不同工况下流体内部流动特性的改变将导致磨损情况的改变。图5给出了最优开度下转轮叶片的磨损情况。最优开度时，叶片易受磨损位置出现在叶片进口处及压力面出口附近。图6给出了小开度下转轮叶片的磨损情况。当导叶开度减小时，转轮的总体磨损速率有明显的提高；叶片出口边磨损速率相对有所降低，但叶片的进口处仍然出现了较为严重的磨损。对于混流式机组的磨损问题，已有很多文献报道了其主要的磨损形式，因此有必要对这种机组转轮的主要磨损形式和特点进行分析总结，为验证磨损预测的准确性提供参考。混流式机组转轮磨损较为常见的磨损形式包括转轮入口处叶片前缘磨损（图7（a）[13]）和叶片压力面磨损（图7（b）[24]、（c）[25]），而这两种磨损形式都被数值计算较好地捕捉到。（a）压力面（b）吸力面图5叶片磨损预测结果（最优开度）Fig.5Typicalwearpredictedontherunnerbladesurfaces(attheoptimalguidevaneopening)（a）压力面（b）吸力面图6叶片磨损预测结果（小开度）Fig.6Typicalwearpredictedontherunnerbladesurfaces(atasmallguidevaneopening)图7转轮的主要磨损区域与计算结果对比（最优开度）Fig.7Erosionpatternscomparedwiththefieldtestresults(attheoptimalguidevaneopening)
【参考文献】：
期刊论文
[1]多泥沙高水头水电站混流式水轮机导叶泥沙磨损数值研究与试验[J]. 田文文,刘小兵,袁帅,李叶兵. 热能动力工程. 2019(08)
[2]水轮机活动导叶端面间隙磨蚀形态演变预测[J]. 韩伟,陈雨,刘宜,魏三则,李光贤,金俊俊. 农业工程学报. 2018(04)
[3]大盈江水电站(四级)水轮机防磨蚀措施探讨[J]. 刘韶春,熊建平,陈梁年. 大电机技术. 2017(04)
[4]泥沙直径和浓度对混流式水轮机转轮内流场的影响[J]. 廖姣,赖喜德,张兴. 水力发电学报. 2017(05)
[5]导叶端面间隙泥沙磨损数值预测研究[J]. 张广,魏显著,宋德强. 大电机技术. 2017(03)
[6]金沙江下游水轮机泥沙磨损情况分析[J]. 刘功梅,李志国. 水电与新能源. 2017(04)
[7]基于固液两相流的纸浆泵磨损预测[J]. 杨凌波,肖业祥,唐兵,王正伟. 排灌机械工程学报. 2015(02)
[8]基于欧拉固液两相流模型的混流式水轮机导水机构磨蚀损伤研究[J]. 米紫昊,李太江,李勇,刘刚. 水利水电技术. 2014(11)
本文编号：3503121
【文章来源】：水力发电学报. 2020,39(02)北大核心CSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
数值计算三维流场模型Fig.13-Dcomputationalmodel
唤缑嫔纤?蟹匠讨懈髦治锢?量方程的处理都是隐式、守恒的。计算中蜗壳、活动导叶和转轮计算域采用非结构化四面体单元离散空间结构，固定导叶和尾水管计算域采用非结构化六面体单元离散空间结构，计算时考虑两种不同的开度，分别为机组的最优导叶开度（19°）和小开度（14°），经过网格无关性验证后确定了计算所采用的网格数，最优开度时网格计算节点数129万、单元数381万；小开度时网格节点151万，单元数401万，采用的总体网格和局部网格细节如图2所示。（a）整体网格（b）最优开度导叶网格（c）小开度导叶网格图2计算网格Fig.2Gridsofthecomputationaldomains1.3边界条件与计算方法数值计算中计算域入口设置在蜗壳的进口处，并根据水头的大小给定总压进口条件；计算域出口设置在尾水管出口处，边界条件设置按照平均静压给定；对于计算域中的壁面，过流部件所有固定壁面均给定无滑移的边界条件。交界面采用滑移网格模型来模拟动静干扰流场，交界面两侧的网格结点并不相互重合，整体流道中各部件的计算同时进行，保证交界面处速度分量和湍流量等物理参数的一致，同时保证积分后压力和过流量一致。采用不可压缩流体的连续方程和雷诺平均的N-S方程模拟水轮机中的流动，湍流模型的选择为SSTk-ω模型，数值计算方法采用了Fluent的SIMPLE算法，选取了二阶迎风格式。本文共考虑两种计算工况，均在机组的设计水头下，分别采用最优开度（19°）和小开度（14°）两种情况展开计算。在获取准确的流场信息之后，可以对颗粒的运动轨迹进行计算，进而对磨损进行预测。本文采用DPM（discretephasemethod）方法对颗粒运动进行了追踪，综合考了
116水力发电学报2.2转轮的磨损情况分析磨损形态与颗粒运动轨迹有密切的联系，而流场的改变将导致颗粒轨迹随之变化，因此不同工况下流体内部流动特性的改变将导致磨损情况的改变。图5给出了最优开度下转轮叶片的磨损情况。最优开度时，叶片易受磨损位置出现在叶片进口处及压力面出口附近。图6给出了小开度下转轮叶片的磨损情况。当导叶开度减小时，转轮的总体磨损速率有明显的提高；叶片出口边磨损速率相对有所降低，但叶片的进口处仍然出现了较为严重的磨损。对于混流式机组的磨损问题，已有很多文献报道了其主要的磨损形式，因此有必要对这种机组转轮的主要磨损形式和特点进行分析总结，为验证磨损预测的准确性提供参考。混流式机组转轮磨损较为常见的磨损形式包括转轮入口处叶片前缘磨损（图7（a）[13]）和叶片压力面磨损（图7（b）[24]、（c）[25]），而这两种磨损形式都被数值计算较好地捕捉到。（a）压力面（b）吸力面图5叶片磨损预测结果（最优开度）Fig.5Typicalwearpredictedontherunnerbladesurfaces(attheoptimalguidevaneopening)（a）压力面（b）吸力面图6叶片磨损预测结果（小开度）Fig.6Typicalwearpredictedontherunnerbladesurfaces(atasmallguidevaneopening)图7转轮的主要磨损区域与计算结果对比（最优开度）Fig.7Erosionpatternscomparedwiththefieldtestresults(attheoptimalguidevaneopening)
【参考文献】：
期刊论文
[1]多泥沙高水头水电站混流式水轮机导叶泥沙磨损数值研究与试验[J]. 田文文,刘小兵,袁帅,李叶兵. 热能动力工程. 2019(08)
[2]水轮机活动导叶端面间隙磨蚀形态演变预测[J]. 韩伟,陈雨,刘宜,魏三则,李光贤,金俊俊. 农业工程学报. 2018(04)
[3]大盈江水电站(四级)水轮机防磨蚀措施探讨[J]. 刘韶春,熊建平,陈梁年. 大电机技术. 2017(04)
[4]泥沙直径和浓度对混流式水轮机转轮内流场的影响[J]. 廖姣,赖喜德,张兴. 水力发电学报. 2017(05)
[5]导叶端面间隙泥沙磨损数值预测研究[J]. 张广,魏显著,宋德强. 大电机技术. 2017(03)
[6]金沙江下游水轮机泥沙磨损情况分析[J]. 刘功梅,李志国. 水电与新能源. 2017(04)
[7]基于固液两相流的纸浆泵磨损预测[J]. 杨凌波,肖业祥,唐兵,王正伟. 排灌机械工程学报. 2015(02)
[8]基于欧拉固液两相流模型的混流式水轮机导水机构磨蚀损伤研究[J]. 米紫昊,李太江,李勇,刘刚. 水利水电技术. 2014(11)
本文编号：3503121
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