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蝸殼設(shè)計方法的研究現(xiàn)狀(一)
第一章 緒論
1.1 研究本課題的背景及意義
由蝸殼和固定導(dǎo)葉組成的水輪機引水部件的水力設(shè)計對水輪機的性能有舉足輕重的作用。我國西部地區(qū)受自然條件的限制，河流含泥沙量較大，傳統(tǒng)的蝸殼設(shè)計方法基本上都是按照蝸殼內(nèi)任意一點的設(shè)計的。隨著蝸殼鼻端半徑減小含泥沙水流速度增大會造成鼻端的局部損失得加大和嚴重磨蝕，從而影響水輪機的正常運行，降低蝸殼的使用壽命，造成嚴重的經(jīng)濟損失[3]。如青海省鼓浪堤水電站曾經(jīng)出現(xiàn)水輪機蝸殼被磨穿造成停機了的嚴重后果。我國西部水力資源豐富，中小水電站星羅棋布，水輪機蝸殼的磨蝕是威脅機組安全運行的一個隱患。多年來，水輪機蝸殼中的磨損一直是國內(nèi)外的一個研究課題[4]。近年來比較切實可行的做法是將磨蝕嚴重的鼻端割掉，重新焊接鼻端。本課題正是從蝸殼的改造而不是整體更換蝸殼的設(shè)想出發(fā)，希望能在改造過程中改變蝸殼磨蝕較為嚴重的鼻端部分的型線，使鼻端的水流速度比原設(shè)計速度有所降低，從而達到減輕磨蝕，提高蝸殼壽命的目的。這就需要從蝸殼水力設(shè)計方面著手，改進蝸殼的型線與結(jié)構(gòu)以減小磨損使之能長期運行在多泥沙水流的惡劣工況下，從一定程度上解決蝸殼在多泥沙水流中的磨蝕問題，提高蝸殼使用壽命，減少因設(shè)備原因造成的出力下降甚至停機。 我國農(nóng)村小水電資源豐富，可開發(fā)量達７１８７０ＭＷ，分布在全國１５００多個縣（市）。到２００１年底，已建成農(nóng)村水電站４萬余座，裝機容量達２８７９０ＭＷ，占全國農(nóng)村水電資源可開發(fā)量的４０％，其中運行３０年以上的小水電站的裝機容量１５３０ＭＷ，運行２０年以上的小水電站裝機容量７５７０ＭＷ，分別占已建成的小水電站總裝機容量的５．３％和２６．３％。這些小水電站的特點是：裝機容量�。ù蠖嘣冢担埃埃耄住常埃埃埃耄滓韵拢_數(shù)多，技術(shù)落后，效率低，制造質(zhì)量差，安全生產(chǎn)隱患多［5］。有的已經(jīng)改造或停運，有的正在改造，更多的則急需進行技術(shù)改造。如果僅用改造而不是整體更換設(shè)備的方法可以達到提高機組壽命和水力效率的目的，則產(chǎn)生的效益是不可估量的。
1.2蝸殼設(shè)計方法的研究現(xiàn)狀
針對多泥沙水流設(shè)計特殊結(jié)構(gòu)的蝸殼的思路在我國早就有人提出，但是由于蝸殼內(nèi)流場的復(fù)雜性和實驗手段落后，數(shù)值模擬方法無法準確的仿真實際流場等原因，長期以來很難找到蝸殼的流場的準確分布規(guī)律，這就給改進蝸殼型線從而減少水力損失帶來了困難。從現(xiàn)有的資料來看我國僅有很少幾例改變設(shè)計方法的新型蝸殼且實際應(yīng)用的嘗試，這些新型蝸殼在改型方法上主要是按進行設(shè)計，制造。國內(nèi)在80年代前設(shè)計蝸殼型線時未考慮到與壓力水管的經(jīng)濟流速相對應(yīng)和減少蝸殼內(nèi)的水流損失，多著重探討蝸殼進口斷面系數(shù)的值，并擬定不同水頭時的推薦曲線。對混流式水輪機（設(shè)計水頭米，值在0.9-0.6之間）在按等速度矩設(shè)計蝸殼型線時，為了減少機組段的寬度，我國將蝶形邊角定為55［6］。這一時期，國外認為轉(zhuǎn)輪是水能轉(zhuǎn)換機械，是影響水輪機效率，穩(wěn)定性，產(chǎn)生空蝕磨損的關(guān)鍵部件，將精力主要放在研究新型轉(zhuǎn)輪的流態(tài)計算與結(jié)構(gòu)改進上，而蝸殼內(nèi)的流速較小，且在少泥沙水流中運行未發(fā)現(xiàn)嚴重破壞，故未予足夠重視。
80年代后期東方電機廠采用，兩種方法進行了蝸殼型線與模型試驗，前者流速系數(shù)為0.836，后者為0.898。實驗表明，后者的比前者高1.5r/min ,兩者經(jīng)試驗效率相同［7］。這種用設(shè)計蝸殼型線的意圖在于減小進口斷面積增大尾部斷面積，使機組間距不至加大，故該廠推薦用于大型機組，并為二灘水電站采用設(shè)計前半段蝸殼，用設(shè)計后半段蝸殼的方案。
與東方電機廠類似，西北勘測設(shè)計院與清華大學(xué)在拉希瓦水電廠（裝機容量620MW，米）設(shè)計蝸殼時采用減小蝸殼進口斷面（即增大流速系數(shù)），在鼻端附近放大斷面（用設(shè)計新型蝸殼型線）的方案，并探討了蝸殼和固定導(dǎo)葉的匹配。經(jīng)模型試驗后推算，可減少蝸殼水頭損失米，年增加發(fā)電量8000萬千瓦［8］。此外清華大學(xué)、中國水科院通過室內(nèi)實驗及三維流動計算等方式進行了蝸殼內(nèi)流態(tài)的分析，哈爾濱大電機研究所在改造現(xiàn)有HL001-WJ轉(zhuǎn)輪時，用有限元計算探討了固定導(dǎo)葉的線型與活動導(dǎo)葉的匹配問題，并推薦用鱷魚型固定導(dǎo)葉。該方案在僅改變固定導(dǎo)葉頭部形狀情況下，可使翼型頭部最大流速下降17.3%，最大局部泥沙磨損減小43.5%。與此同時，東方電機廠與劉家峽水電站采用特殊結(jié)構(gòu)以消除進口水流經(jīng)蝶形邊后流至固定導(dǎo)葉的漩渦。
本文立足于機組的改造，不同于一般的蝸殼常規(guī)設(shè)計，國內(nèi)研究基本上都立足于新型蝸殼的設(shè)計，一般都是提出針對多泥沙水流蝸殼的整體設(shè)計方案，很少探討對現(xiàn)有機型的改造。國外在90年代以后對這類情況的研究經(jīng)查閱資料未找到有價值和應(yīng)用于真機的實例。
1.3 按常規(guī)設(shè)計的蝸殼運行中存在的問題［9］
隨著包角的減小蝸殼伸入到座環(huán)內(nèi)的部分相對增大，會出現(xiàn)蝸殼的圓弧不與蝶形邊相切，越小此現(xiàn)象越為嚴重。當(dāng)小于某一臨界角度時，為了使蝸殼與蝶形邊部相接，只有人為地修改這部分型線，使其變成橢圓形斷面。由于傳統(tǒng)蝸殼是按照速度矩等于常數(shù)設(shè)計，小于臨界角度時，隨著半徑的減小會導(dǎo)致鼻端附近水流速度增大，由于磨蝕量正比于水流速度2.7-3.2次方，如果長期運行于多泥沙水流的工況，將會造成鼻端附近的嚴重磨蝕，甚至穿孔。所以應(yīng)該盡量降低蝸殼鼻端的水流速度，切向速度減小則磨蝕量減小。為了適應(yīng)多泥沙水流需要設(shè)計出鼻端不同于傳統(tǒng)型線的新型蝸殼，在保證出口環(huán)量滿足要求的基礎(chǔ)上適當(dāng)?shù)募哟蠼孛娣e，減小水流速度，從而減小含泥沙水流對鼻端的磨蝕及其引起的水力損失。現(xiàn)在通用的蝸殼型線的設(shè)計方法具有以下缺陷應(yīng)予改進（即使是利用的方法設(shè)計蝸殼型線也是如此）。
國外已有的室內(nèi)實驗和三維流動分析得出，從鼻端附近水流蝸殼的周向、徑向、立面高度方面普遍存在較嚴重的不均勻分布，這與二次回流、水流內(nèi)外摩擦阻有關(guān)，用上述計算方法無法考慮減小時蝸殼壁面的側(cè)面收縮的不均勻性（隨減小，兩相鄰蝸殼斷面間的收縮越大）并引起沿整個蝸殼周向尤其是在蝶形邊附近的另一個附加渦流，因此，蝸殼內(nèi)的流態(tài)與假定條件經(jīng)計算后的蝸殼流態(tài)相差較大［10］。
(2) 蝸殼鼻端與進口相鄰部分的水流摻混引起的流態(tài)紊亂［11］，蝸殼水流紊亂的最嚴重處是鼻端與進口銜接部分。該部分是用最后一個固定導(dǎo)葉作為隔板將鼻端水流域進口水流相隔。由于鼻端處的值大，并因外摩擦阻影響水流流向不完全沿固定導(dǎo)葉向內(nèi)側(cè)流動，而從鋼管進入蝸殼的水流矢量在此尚未形成理想的對數(shù)螺線，在具有不同的壓力、流速矢量的兩種水流相遇后，易引起漩渦和流態(tài)混亂，波及到進口斷面內(nèi)一定范圍的流場。
(3) 蝶形邊角值對蝸殼內(nèi)流態(tài)的影響［12］
確定蝶形邊角值大小的因素有二：
(a) 不使蝸殼寬度B過大，盡量不增加機組寬度。
(b) 蝸殼中水流從蝶形邊附近流入固定導(dǎo)葉區(qū)時，受及影響使進入固定導(dǎo)葉區(qū)的水流派生出附加紊流。
從以上分析可以得出，若將值減小，及影響小，可改善進入固定導(dǎo)葉的水流的流態(tài)，但及B增大；且值較小時，又引起在包角較小范圍內(nèi)出現(xiàn)用求得蝸殼斷面型線內(nèi)的誤差。
無論是三維還是二維計算蝸殼內(nèi)流場變化，為簡化計算，一般假設(shè)蝸殼進口流速為均勻分布，由于水流在蝸形段中流動時受離心力
影響，產(chǎn)生二次流.而限于理論水平，尚不能將引起的二次流在蝸殼內(nèi)的流動形式用數(shù)學(xué)模式表達出來，更難于與計算的、、迭加起來。
此外在計算水流外摩擦阻時，尚不能計算蝸殼每個環(huán)節(jié)的折角處引起的渦旋水力損失量，國內(nèi)外也僅能用一般水力學(xué)方法，按錐管（彎曲，收縮）來計算其水力損失［13］。
進口斷面部分：
蝸殼段水力損失：
按取值，將帶入上式得：
從而得到為：
式中為錐管長度，、尾錐管中間斷面的直徑和平均流速， 為錐管中間斷面平均圓周流速（近似取圓斷面中心處的）。
由上可見，上述計算損失的方法與蝸殼內(nèi)部實際水力損失相差較大。
1.4 本課題所研究的主要內(nèi)容
本論文針對應(yīng)用廣泛的小型機組，以青海鼓浪堤水電站HL220-WJ-71水輪機組蝸殼為對象，采用現(xiàn)場試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，尋求蝸殼型線修改的方案，具體研究內(nèi)容如下：
用Fluent的前處理軟件Gmabit對以方法設(shè)計的蝸殼建模，再用Gambit對用方法設(shè)計鼻端而前半部分仍按照方法設(shè)計的部分相拼接的新蝸殼建模，并生成網(wǎng)格。把兩個網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent中，選定合適的湍流模型，按照機組設(shè)計工況對初始條件，邊界條件進行定義，迭代求取數(shù)值解。
通過對數(shù)值解的分析給出改進前和改進后的蝸殼對稱面上的壓力分布和速度分布。
找出改型后較之改前的蝸殼出口處的水流流態(tài)有哪些改變，分別給出切向速度，徑向速度沿蝸殼出口高度和包角的變化規(guī)律。
研究在機組設(shè)計工況下改型后的蝸殼在改造斷面的平均切向速度較改型前減小的具體量值。
將改型后和改型前蝸殼的平均切向速度值帶入經(jīng)驗公式，給出改進后的蝸殼壽命的增加量。
通過對改型后同改型前蝸殼尾段流態(tài)的對比，提出針對放大尾部斷面的新型蝸殼的固定導(dǎo)葉修型方案，為今后新型蝸殼的設(shè)計提供參考。
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