级间导叶数对水轮机模式液力透平性能的影响

李延频, 蒋雨煊, 张自超, 陈金保, 陈德新

PDF(3232 KB)
节水灌溉
中国农村水利水电 ›› 2021 ›› (7) : 113-118,124.
水电建设

级间导叶数对水轮机模式液力透平性能的影响

作者信息 +

The Influence of the Number of Guide Vanes Between Stages on the Performance of Hydraulic Turbine in Turbine Mode

Author information +
稿件信息 +

摘要

为研究按水力原动机理论设计的多级水轮机模式液力透级间导叶对其性能的影响，以一个二级水轮机模式液力透平为研究对象，设计了5种导叶数不同的新型空间级间导叶作为其级间导叶，利用数值分析进行定常及非定常数值计算，获得了5种模型的外特性曲线、内部流态以及压力脉动数据，并进行分析。结果显示：随着级间导叶数增加，液力透平效率先增后减，可利用水头呈现递增趋势，新型空间导叶和转轮内部水头损失均先增加后减小，导叶数为12时效率达到最高。导叶数增加，一级转轮脉动幅值增加，二级转轮内部主频压力脉动幅值呈现减小趋势，新型空间导叶内部进出口处脉动幅值增大，适当的增加级间导叶数可以改善流道内部流态和减小透平内部压力脉动幅值。

Abstract

In order to study the influence of the guide vanes on the performance of the multi-stage turbine mode designed according to the theory of hydraulic prime mover， this paper takes the first stage of a two-stage turbine mode as the research object， designs five new-type space stage guide vanes with different number of guide vanes as its interstage guide vanes The external characteristic curve， internal flow pattern and pressure fluctuation data of each component were analyzed. The results show that： with the increase of the number of inter stage guide vanes， the efficiency of hydraulic turbine first increases and then decreases， and the available water head presents an increasing trend. The internal head loss of the new space guide vane and runner first increases and then decreases， and the efficiency reaches the highest when the number of guide vanes is 12. With the increase of the number of guide vanes， the pulsation amplitude of the first stage runner increases， while the amplitude of the main frequency pressure fluctuation in the second stage runner decreases. The fluctuation amplitude at the inlet and outlet of the new type of space guide vane increases. Properly increasing the number of guide vanes can improve the flow pattern in the runner and reduce the pressure fluctuation amplitude in the turbine.

关键词

级间导叶 / 液力透平 / 数值计算 / 外特性 / 压力脉动

Key words

inter-stage guide vane / hydraulic turbine / numerical calculation / external characteristics / pressure fluctuation

基金

国家自然基金面上项目(51579104)

引用本文

EndNote

Ris (Procite)

Bibtex

导出引用
李延频 , 蒋雨煊 , 张自超 , 陈金保 , 陈德新. 级间导叶数对水轮机模式液力透平性能的影响[J].中国农村水利水电, 2021(7): 113-118,124
Yan-pin LI , Yu-xuan JIANG , Zi-chao ZHANG , Jin-bao CHEN , De-xin CHEN. The Influence of the Number of Guide Vanes Between Stages on the Performance of Hydraulic Turbine in Turbine Mode[J].China Rural Water and Hydropower, 2021(7): 113-118,124

0 引 言

液力透平作为一种能量回收装置，广泛用于工业、电力、农业等领域，通过将来流的动能转化成机械能，从而实现对液体能量的回收。现阶段，液力透平的结构形式主要包水轮机模式，反转泵模式和专用液力透平。针对不同能量等级的回收，液力透平又有单级和多级液力透平之分，提高液力透平性能对提高能源利用率有现实意义［1］。
对于液力透平，导叶是关键的过流部件，关于导叶的研究，杨军虎［5］采用CFD软件对首级导叶数为7，9，11的3种液力透平进行数值模拟，发现效率随导叶片数增多而提高，且较无导叶时透平最高效率点的流量增加、压头降低，导叶数为11时其变化幅度值最小。YABIN T［6］ 从理论上分析了影响多级能量回收水轮机性能的主要因素，发现转轮导叶出口段边缘圆弧半径是影响水轮机水力效率的决定性因素。纪运广［7］在液力透平转轮进口处添加导叶减少了水力损失从而使得效率得到提高，同时基于CFD软件对不同导叶开度下的液力透平内部流场进行了分析。史广泰［8］研究了首级导叶数对液力透平机组工作稳定性的影响，发现首级导叶数增加，叶轮内部的最大脉动幅值减小，对尾水管的脉动幅值影响较小。Timoshevskiy M［9］对高压水轮机导叶缩尺模型的二维水翼绕流紊流结构的试验研究结果进行了分析研究。通过上述研究可以发现，导叶对透平的性能影响显著，但这些研究都仅针对于单级液力透平，而对于多级液力透平而言，级间导叶的损失也占很大一部分［10］。王亚猛［11］对多级水轮机模式液力透平同径正反导叶进行研究，发现优化级间导叶后对整个液力透平水力效率得到了提高。
现阶段，大多数对于液力透平导叶的研究仅针对于首级导叶，对多级液力透平级间导叶的研究较少。为研究级间导叶对多级水轮机模式液力透平的性能影响，本文以一台二级水轮机模式液力透平为研究对象，选取导叶数不同的五种新型空间导叶，分析导叶数对水轮机模式液力透平的水力特性和压力脉动影响，为多级水轮机模式液力透平级间导叶的优化提供参考。

1 液力透平的主要参数

本文选取一种以超低比转速混流式转轮为的二级液力透平进行研究，其中两级转轮结构相同，进水室采用蜗壳进水室，首级导叶选取径向导叶，级间导叶采用新型空间导叶，具体如图1所示；出水室采用环形出水室；部件的基本参数如表1所示，液力透平结构具体如图2所示。
图1 新型空间导叶结构图

Fig.1 Structure of new space guide vane

Full size|PPT slide

表1 各部件设计参数

Tab.1 Design parameters of various components

部件 变量 数值 备注
整机 设计流量/（m3·s-1） 0.8
设计转速/（r·min-1） 1 500
设计水头/m 390
转轮 进口直径D 1/mm 500
出口直径D 2/mm 250
叶片数Z/片 15 后弯/前弯
进口安放角β 1/（°） 122 后弯/前弯
进口安放角β 2/（°） 46 后弯/前弯
导水机构 首级导叶出口角/（°） 13.44 11~18
首级导叶片数量 14 8~14
蜗壳 进口直径/mm 27.4
基圆直径/mm 710
断面形状 圆形
出水室 环形出水室
图2 T模式液力透平

Fig.2 T-type hydraulic turbine

Full size|PPT slide

2 定常计算

2.1 网格划分与数值模拟计算

基于ICEM，采用非结构化网格中八叉树的方法对液力透平三维模型进行网格划分。同时，保证网格质量在0.3以上，对模型进行网格无关性验证，当网格数在550 万个左右时，效率和水头浮动均在0.5％以内，具体如图3所示。
图3 计算域网格划分无关性验证

Fig.3 Verification of grid independence in computational domain

Full size|PPT slide

数值模拟方面，运用CFD-fluent软件对模型进行全流道定常计算，数值计算求解方法采用有限体积法，假设为不可压缩三维流动，且满足连续性方程和动量方程，选用标准k-ε湍流模型，收敛精度设为10-4。液力透平进口边界设置为速度进口，出口设置为无压力出口，所有壁面的边界条件选择为wall，设置为固定壁面，满足无滑移条件，各部件交界面设置为interface。

2.2 实验验证

为了验证数值计算的准确性，对采用新型空间导叶数为10的模型进行性能实验，具体试验示意图如图4所示。实验结果如图5显示，可以看出，试验和数值模拟得到性能曲线趋势一致，由于数值模拟没有考虑机械损失，还忽略了平衡孔泄露损失，所以计算结果偏大。在最高效率点，采用相对误差值计算，水头误差为3.1%，效率误差为6.57%，可见本文所采用的数值计算方法能较好的预测透平性能。
图4 液力透平试验台

Fig.4 Hydraulic turbine test bench

Full size|PPT slide

图5 效率最优的模型透平试验外特性和数值模拟外特性对比

Fig.5 Comparison of external characteristics of model turbine test and numerical simulation with optimal efficiency

Full size|PPT slide

2.3 流量-效率、流量-可利用水头外特性分析

选取导叶数分别6、8、10、12、13的新型空间导叶，通过CFD-fluent计算得到在0.6Q、0.8Q、Q、1.2Q、1.4Q、1.6Q工况下，得到整个T模式液力透平的效率和可利用水头变化如图6所示。
图6 不同导叶数时效率外特性曲线

Fig.6 External characteristic curve of efficiency with different number of guide vanes

Full size|PPT slide

如图6所示，随着导叶数的增加，液力透平效率先增大后减小，在导叶数为12时，效率最高。同时，5种不同导叶数下，液力透平均在额定工况处达到效率最高。转轮和新型空间导叶损失计算结果如图7显示，新型空间导叶数增加，转轮的水头损失下降。因此分析原因为随着导叶数增加，导叶对水流的导控能力增强，导叶间水流流态变好，导叶和转轮的损失都逐渐减小，但当数量达到一定数时，导叶的摩擦损失增加，损失开始增大，效率有所降低。同时导叶数增加，总可利用水头均呈现增加趋势，原因为导叶数增加，导叶摩擦损失和整个装置的总可利用水头也逐渐增加。
图7 新型空间导叶和转轮水头损失

Fig.7 Head loss of new space guide vane and runner

Full size|PPT slide

2.4 内部流态

外特性中可利用水头和效率的变化是由内部流态的变化引起的，导叶数变化会引起导叶内静态压力，流线等内部能量特性发生变化，静态压力越大，对应的能量损失以越大，内部流态稳定性就越小；流线直接反映出液流在流道中的流态好坏。

2.4.1 新型空间导叶内部静压力特性分析

对于五种方案进行定常计算，得到压力云图如图8所示。随着导叶数的增加，压力逐步上升，反导叶高压区范围扩大，从导叶数为10开始，高压区延伸到过渡段和正导叶处，随后呈梯度减小，在正导叶出口处压力降到最低。但对所接转轮的内部压力分布几乎没有影响，分析原因可能为导叶数增加，导叶导控能力增加，液体所流流道面积减小，流速增加，压力上升，这与导叶数增加可 利用水头增加的规律相符。
图8 不同导叶数压力云图

Fig.8 Pressure nephogram with different number of guide vanes

Full size|PPT slide

2.4.2 流线分布

对于5种方案进行定常计算，得到不同导叶数内部流线图如图9所示。导叶数增加，对新型空间导叶内部流态没有显著影响，除导叶数为12和13时反导叶处出现少量漩涡，其余无明显区别，但对所接转轮中内部流态影响显著。导叶数增加，所接转轮内部流线逐渐变好，导叶数最高13时，转轮进口几乎没有涡流，原因为导叶数增加，控制液流能力增强，使之更能够以符合转轮所需液流方向进入下级转轮。
图9 不同导叶数内部流线分布

Fig.9 Internal streamline distribution with different number of guide vanes

Full size|PPT slide

3 压力脉动分析

3.1 监测点布置及计算设置

透平内部的压力脉动是造成装置振动的主要因素之一，而透平内部的压力脉动主要是由过流部件之间的动静干涉产生的。数值结果显示，转轮和级间导叶的损失占到整体损失的50％以上，为了研究不同级间导叶数对透平内部压力脉动的影响，本文选取两级转轮和新型空间导叶作为脉动研究对象，分别在首级转轮，二级转轮和新型空间导级间导叶内布置压力监测点，并在额定流量工况下进行非定常计算，具体压力监测点的布置方式如图10所示。
图10 监测点的选取

Fig.10 Selection of monitoring points

Full size|PPT slide

为了消除静压对结果的干扰，引入压力系数Cp 对压力脉动结果进行分析。Cp 表达式如下：
Cp=P-P¯0.5 ρ U2
式中：P为瞬时压力； P¯为采用时间内的平均压力；ρ为液体密度；U为叶轮出口圆周速度。

3.2 转轮内压力脉动分析

3.2.1 一级转轮内部压力脉动

通过数值计算得到不同级间导叶数下一级转轮内部压力脉动频域图和最大脉动压力值表如图11和表2所示。可以看出，不同导叶数下，沿着流动方向，监测点压力脉动主频幅值均呈现减小的趋势，越靠近转轮出口，幅值越小，这是因为在进口接近耦合面，动静干涉较为强烈，越远离进口所受动静干涉越小。同时，随着导叶数增加，一级转轮内部进出口压力脉动变化幅值不明显，但有增大趋势，靠近进口处的监测点9和靠近出口处的监测点11主频幅值均增加，这是因为级间导叶数增多，反导叶进口处过流面积越小，导叶进口处流道内流速增大，一级转轮所受的动静干涉也就越强烈，主频幅值随之增加。
图11 一级转轮内压力脉动频域图

Fig.11 Frequency domain diagram of pressure fluctuation in primary runner

Full size|PPT slide

表2 一级转轮内最大脉动压力值 (kPa)

Tab.2 Maximum pulsating pressure value in the primary runner

监测点 最大脉动压力值
导叶数6 导叶数8 导叶数10 导叶数12 导叶数13
9 3 568.261 3 785.830 3 667.265 3 714.353 3 871.03
10 3 078.419 3 315.249 3 182.437 3 238.945 3 343.78
11 2 725.199 2 969.539 2 843.620 2 895.260 3 025.40

3.2.2 二级转轮内部压力脉动

通过数值计算得到二级转轮内部压力脉动频域图和最大脉动压力值表如图12和表3所示。可以看出，不同新型空间导叶数下，沿流动方向，压力脉动主频幅值和最大脉动幅值均呈现减小趋势。原因为二级转轮进口处与级间导叶连接，级间导叶和转轮动静干涉，产生的压力脉动幅值变大，距离进口越远，受干涉强度越小，压力脉动幅值也就越小。还可以看出，随着新型空间导叶数的增加，转轮进口处的脉动幅值总体为减小趋势，说明级间导叶数增加，正导叶内流道减小，级间导叶内对束流能力增强，对应图9可以看出，随着级间导叶数增加，二级转轮进口的液力流态变好，从而转轮进口处脉动幅值减小；同时，二级转轮出口的主频幅值和最大脉动幅值变化不明显，级间导叶数对二级转轮的影响主要体现在转轮进口处，可见，适当
图12 二级转轮内压力脉动频域图

Fig.12 Frequency domain diagram of pressure fluctuation in secondary runner

Full size|PPT slide

表3 二级转轮内最大脉动压力值 (kPa)

Tab.3 Maximum pulsating pressure value in the secondary runner

监测点 最大脉动压力值
导叶数6 导叶数8 导叶数10 导叶数12 导叶数13
16 1 168.806 1 033.34 970.926 1 119.148 887.048
17 624.890 469.519 563.179 700.653 540.958
18 344.553 415.278 367.482 443.800 329.24
增加导叶数可以减小二级转轮进口处压力脉动幅值。
同时，对比一级转轮内部脉动幅值变化，级间导叶数增加，对二级转轮内部压力脉动幅影响更为显著。

3.3 级间导叶压力脉动分析

图13为将数值计算进行傅里叶变换得到的级间导叶内各检测点的压力脉动频域图，表4为通过数值计算的方法得到级间导叶内各检测点处的最大脉动压力值。
图13 级间导叶内压力脉动频域图

Fig.13 Frequency domain diagram of pressure fluctuation in interstage guide vane

Full size|PPT slide

表4 级间导叶内最大脉动压力值 (kPa)

Tab.4 Maximum pulsating pressure value in the interstage guide vane

监测点 最大脉动压力值
导叶数6 导叶数8 导叶数10 导叶数12 导叶数13
12 1 728.842 2 589.791 2 115.111 2 203.493 2 465.194
13 1 916.549 1 904.452 2 124.918 2 154.016 2 284.586
14 1 720.579 1 037.794 1 742.906 1 868.904 1 950.720
结合图13和表4可以看出，不同级间导叶数下，沿液体流动方向，压力脉动主频幅值均逐渐减小，但级间导叶数增加，反导叶进口和正导叶出口处的压力脉动主频幅值均增大，因为导叶数增加，流道面积减小，流道内流速和压力值上升，结合图8压力云图可以看出，正导叶和反导叶处压力值上升，脉动强度也跟着上升，可以看出，导叶数为8时，正导叶导叶出口处脉动幅值最小，但是反导叶进口处脉动幅值大，导叶数为10时，反导叶进口处压力脉动幅值最小，且正导叶出口处仅比导叶数为8时脉动幅值打，可见，在一定参数范围内，适当增加导叶数能降低导叶内部自身的压力脉动幅值。

4 结 论

（1）新型空间级间导叶数增加，整个T模式液力透平效率先增加后减小，最高效率出现在导叶数为12时；可利用水头为逐渐增加的趋势；不同流量工况下，导叶数增加，效率也为先增大后减小，可利用水头逐渐增加，五种模型的最优效率和可利用水头均出现在额定工况附近。
（2）新型空间导叶数增加，导叶内部静态压力值，流线均发生变化。导叶数增多，正导叶处逐渐出现高压区，反导叶处高压区面积增大；同时，级间导叶数增加所接转轮进口流线变优，但是反导叶处出现漩涡，当导叶数为12时，静压和流态处于较优状态。
（3）新型空间导叶数增加，一级转轮内部脉动幅值增加、二级转轮内部压力脉动主频幅值减小，新型空间导叶自身内部压力脉动幅值增加。但是一级转轮和导叶内部脉动幅值增加幅度小于二级转轮内部脉动减小幅值，因此，在一定透平结构参数下，适当的增加新型空间导叶数能减小透平内部压力脉动幅值。
（4）综合上述研究可知，级间导叶数对水轮机式多级液力透平水力性能和压力脉动特性影响较大，综合其水力特性和压力脉动特性，对于本文中的液力透平，推荐最佳级间导叶数 为12。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
1
王晓晖，杨军虎，史凤霞.能量回收液力透平的研究现状及展望［J］.排灌机械工程学报，2014，32（9）：742-747.
本文引用 [1]
2
张阳，冀春俊，孙卉，等.径向导叶与空间导叶的优劣分析与试验［J］.热科学与技术，2017，16（5）：425-430.
3
袁丹青，石荣，韩泳涛，等.深井离心泵新型空间导叶设计及优化［J］.江苏大学学报（自然科学版），2015，36（6）：661-665.
4
袁丹青，韩泳涛，丛小青，等.多级离心泵新型空间导叶设计及优化分析［J］.排灌机械工程学报，2015，33（10）：853-858.
5
杨军虎，龚朝晖，夏书强，等.导叶对液力透平性能影响的数值分析［J］.排灌机械工程学报，2014，32（2）：113-118.
本文引用 [1]
6
TIAN Y B， HU A J， ZHENG Q. The effect of guide vane type on performance of multistage energy recovery hydraulic turbine （MERHT）， 2020， 18（1）：352-364.
本文引用 [1]
7
纪运广，徐洋洋，李洪涛，等.导叶开度对径向叶片式液力透平性能影响研究［J］.沈阳工程学院学报（自然科学版），2018，14（2）：107-111.
本文引用 [1]
8
史广泰，杨军虎，刘小兵，等.导叶对液力透平机组工作稳定性的影响［J］. 振动工程学报，2016，29（4）：609-615.
本文引用 [1]
9
TIMOSHEVSKIY M V， ILYUSHIN B B， PERVUNIN K S. Turbulent Structure of Cavitating Flow： PIV Measurements over a Model of Guide Vane of Hydraulic Turbine， 2020，29（3）：407-413.
本文引用 [1]
10
刘浩然.多级液力透平参数之间关系的研究［D］.兰州：兰州理工大学， 2014.
本文引用 [1]
11
王亚猛. 水轮机模式液力透平级间导叶的优化［D］.郑州：华北水利水电大学，2020.
本文引用 [1]
12
柴立平， 张舜鑫， 陈亮，等. 导叶时序效应对液力透平性能影响的研究［J］. 中国农村水利水电，2019（1）：174-180.
13
薛睿， 李家文， 唐飞. 多级泵级间导叶的优化与数值仿真［J］. 火箭推进， 2011，37（5）：24-29，68.
14
王晨阳，余波，李欢，等.不同导叶数对超低比转速水轮机水力性能的影响［J］.水力发电，2020，46（2）：71-74，108.
15
董雷，张丽萍，李宁，等.基于CFD的主要控制参数对肘形进水流道水力性能的影响研究［J］.中国农村水利水电，2020（12）：57-61.
16
陈超，李彦军，裴吉，等.多工况空化条件下混流泵装置压力脉动试验研究［J］.中国农村水利水电，2019（1）：158-163.
17
ZHAO M， ZHENG Y， YANG C， et al. Performance investigation of the immersed depth effects on a water wheel using experimental and numerical analyses［J］. Water， 2020，12（4）：982.
18
赵梦晌，郑源，杨春霞，等.基于流体体积模型的叶片数对水车性能的影响［J］.排灌机械工程学报，2020，38（7）：677-682.
19
王成斌，金雷，张帅，等.径向导叶式潜水泵内部流动与非定常特性研究［J］.中国农村水利水电，2019（12）：165-172.
20
MOU J， LI S， ZHENG S，et al. Influence of interstage leakage on the axial force of the multistage centrifugal pump［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2010，41（7）：40-44.
PDF(3232 KB)

694

访问

0

引用

详细情况
段落导航
相关文章
鄂公网安备 42010602001274号　鄂ICP备14015464号-1
网站版权所有 © 《中国农村水利水电》编辑部
地址：武汉大学二区《中国农村水利水电》编辑部　邮编：430072
电话：(027)68776133　传真：xsdbjb@188.com　
本系统由北京玛格泰克科技发展有限公司设计开发　技术支持：support@magtech.com.cn

/

〈 〉