江苏国信溧阳抽水蓄能发电有限公司江苏213300
摘要：为了解水泵水轮机泵工况活动导叶启闭过程中的性能，参考某抽蓄电站的水泵水轮机建立数值计算模型，对导叶不同开度时的流动特征进行分析。采用SIMPLEC算法和SSTk-ω模型详细分析了泵工况不同导叶开启角度下转轮、导叶附近的流场，结合实验数据对各操作工况下的性能进行分析。结果表明，当活动导叶开启角度γ小于18°时，涡的强度大能量损失多，并且出现平面射流，扬程随着γ减小而迅速降低；当γ大于21°时，涡量分布均匀，涡结构产生的能量损失小，同一流量下不同γ的扬程和效率基本保持不变；操作工况下不同γ的扬程均与流量呈线性关系。结论为水泵水轮机的操作工况选择提供依据，也可以指导水泵水轮机的优化设计。
关键词：水泵水轮机；导叶；泵工况
引言
水泵水轮机不同于水泵和水轮机，无论是水力性能分析、流场分析还是设计方法，国内仍处于初级阶段，与发达国家之间差距较大。目前，国内很多有关水泵水轮机的研究主要集中在对转轮以及尾水管流场以及水力性能的分析上，但是对活动导叶的启闭过程对水力性能影响的研究却很少。SSTk-ω模型可以适用于各种压力梯度的湍流计算，但是将其应用于旋转机械的性能分析却很少见。
1计算模型及网格划分
水泵水轮机原型的基本几何参数如表1所示。原型水泵水轮机的设计流量为：Q=131.7m?/s。本文采用非结构化六面体与四面体网格，水泵水轮机的结构及网格划分如图1所示。为了捕捉近避面的流动特征，在导叶与叶片处设置10层边界层。
该模型有关参数如下：在迭代过程中，应用亚松弛迭代；松弛因子在求解压力项时为0.3，速度项为0.7，湍动能项和湍动能耗散率项均为0.8。压力项采用二阶中心差分格式，速度、湍动能以及湍动能耗散率项均采用二阶迎风格式。
2.2边界条件
操作工况下活动导叶不同开度时水泵水轮机模型机的边界条件均为：
水泵水轮机模型机泵工况的转速为：n=1500rpm。
进口边界为速度入口，给定尾水管进口的速度，方向垂直于进口断面；出口边界为压力出口，出口处给定出口速度的法向梯度为零。即ui/n=0。
3网格无关性验证
由于本文是在活动导叶不同开度下建模，每个模型都要网格进行无关性验证，考虑到导叶开度小时流动较复杂，对网格的要求也较高，故下面进选取导叶开度为15o时的网格来说明网格无关性的验证方法。本文采用两种尺度的网格A和B进行模拟。γ=15o时，选设计流量来分析两种网格的结果。本文选用扬程和效率来分析验证网格大小是否满足精度要求。计算过程中设置收敛精度各项残差均为10－4。两种结构网格划分的单元数如表2所示。
表2网格划分部件网格单元数
结果显示，A网格模型经过计算对应原型机组扬程为200.8m，此时的效率为88.2%，B模型的扬程为200.6m，效率为87.9%，通过模型试验测得的结果为扬程H=198.1m，效率为86.9%。与实验结果相比较，A模型计算结果扬程误差为1.4%，效率误差为1.5%，B模型计算结果扬程误差为1.3%，效率误差为1.2%，两模型计算结果均在误差允许范围内。为了进一步说明，选取同一叶片压力面的压力进行对比，如图2所示，可以看出两种网格收敛后的同一导叶的压力等值线分布基本一样。由此可以说明A模型的网格节点和单元数已经能够满足精度的计算要求。用此种方法对不同开度下的模型分别进行网格无关性验证，使最终选取的网格模型都能满足计算精度的需求。
图2两种网格计算的叶片压力面压力分布
4结果分析
4.1流场分析
1）导叶速度矢量和涡量
图3为活动导叶不同开度下的速度矢量图和涡量图。如图3所示，当活动导叶开度较小时，活动导叶之间的流道变窄，对于同一流量，γ越小活动导叶间断面的平均流速越大，当流速增加到一定的程度后，由活动导叶之间的间隙形成了20股平面射流，γ越小射流强度越大，在周围产生的低压区越低越明显，压力降低到某一方向上流体的势能大于其动能时就会产生回流，进一步出现清晰的涡结构，回流产生的涡结构主要集中在活动导叶和固定导叶的间隙以及背水面并且在导叶中呈现类周期性分布。对活动导叶不同开度下导叶附近流域的涡量分析可以发现，γ越小涡量的平均值越低。当γ大于21度时，导叶附近流域的涡量值都相等，证明此时已没有涡的存在，因涡结构而产生的损失消失，故当γ大于21度时，同一流量下泵工况的扬程和效率基本保持不变。γ较小时涡量值大说明涡的强度高，对应的能量损失多，因此当γ较小时水泵水轮机泵工况的扬程显著降低。
图3不同开度下z=0截面导叶局部速度矢量图和涡量图
2）转轮
导叶开度较小时，工作流量下转轮内的流场规则且没有涡结构的出现。活动导叶开度为12°和18°时，转轮展开面的流场如图4所示。图5为不同导叶开度下的转轮静压分布图，由图中可以看出，开度小时活动导叶流道窄，形成较大的阻力，影响转轮内的压力分布，进一步改变速度分布，由图4可以发现开度越小转轮展开面的速度分布越均匀，开度越大，叶片背压面的速度梯度越大。转轮内的静压在工作流量下没有达到空化压力，不会有汽蚀现象的产生。
图5不同开度下转轮展开面压力分布图
4.2扬程曲线
活动导叶不同开度下的扬程曲线如图6所示，由试验得出的扬程曲线如图7所示。当活动导叶开启角度γ小于18°时，随着γ的减小扬程迅速降低，这是因为当导叶开启角度越小，导叶间的涡结构变多，涡结构的尺度越大，能量损失越严重。活动导叶间的流道是固定的，随着流量的增加，导叶间断面的平均流速提高，射流强度提高，在周围产生低压越低，回流产生涡结构尺度进一步扩大，损失更为严重，因此扬程显著降低；当γ大于21°时，同一流量下不同γ的扬程基本保持不变，此时涡结构仅存在于活动导叶和固定导叶之间的流域，不仅规则、数量少，而且射流现象消失，能量损失很小；操作范围内不同γ的扬程均与流量呈线性关系。
图6活动导叶不同开度下的扬程曲线图7扬程试验结果与计算结果对比
4.3效率曲线
活动导叶不同开度下的效率曲线如图8所示，试验结果如图9所示，在操作工况范围内，当γ大于18°时，效率曲线与流量呈线性关系。活动导叶开度γ大于21°时，导叶的开度与水泵水轮机泵工况的效率没有关系，泵工况的效率只与流量等有关。γ等于21°时，泵工况的效率达到最高，在操作范围内效率改变很小，不超过2%。
图8活动导叶不同开度下的效率图9效率曲线试验结果与计算结果对比
结语
1）操作范围内，当活动导叶开启角度γ较小时，涡的强度大能量损失多，随着γ的减小扬程迅速降低。
2）开度较小时导叶之间的涡结构呈现类周期性分布，并且因活动导叶之间的间隙小而形成了20股平面射流，射流强度随γ的减小而增加。
3）γ大于21°时，平面射流现象消失，涡量值分布均匀，因涡结构产生的能量损失小，同一流量下不同γ的扬程基本保持不变。
4）操作工况下不同γ的扬程均与流量呈线性关系；当γ较小时效率随流量增加迅速降低，而当γ大于21°时效率不因流量增加而改变，效率基本保持不变。
参考文献：
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