MGV布置方式对水泵水轮机“S”特性影响研究

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摘要： MGV（非同步导叶装置）是目前改善和规避水泵水轮机“S”特性区问题最有效的装置。以某抽水蓄能电站水泵水轮机模型机水轮机启动工况为研究对象，设定六种MGV布置方案，基于SIMPLE算法，采用标准κ-ε湍流模型对机组进行各方案工况下的全流道定常数值模拟，对比分析不同方案下机组“S”特性的改善。结果表明：两对非同步导叶分散均布对机组“S”特性的改善最明显。

Abstract： The best effective solution to improve and evade the problem of the pump-turbine"s "S" characteristic is misaligned guide vanes （MGV） technique. The paper chooses a pump-turbine model of pumped-storage power station as the research object which is in start-up condition. Six MGV arrangement plans are designed， and the steady numerical simulation of the whole flow passage is analyzed based on the standard κ-ε turbulent model and SIMPLEC algorithm. Analyze the external characteristics of the pump-turbine under the use of the MGV. The calculation results show that the unit is most optimal when asynchronous guide vane number is two， and is arranged evenly.

关键词： 水泵水轮机；S特性；MGV；数值模拟

Key words： pump-turbine；the “S” characteristic；MGV；numerical simulation

中图分类号：TH311 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）24-0275-03

0 引言

水泵水轮机是抽水蓄能电站的“心脏”，兼具水轮机与水泵两种功能，具有双向流动特性，工况转换频繁[1]。图1为水泵水轮机全特性曲线示意图，水泵水轮机自身存在着“S”形水力特性区和水泵驼峰区两个不稳定区域[1-5]。在水泵水轮机启动和甩负荷等过渡过程中，机组经常会进入 “S”形特性区，该区域内机组在同一转速下将可能对应2～3个不同的单位流量Q11，甚至其中一个是负流量，致使机组功率波动严重而并网困难[1，6]。目前，工程应用中改善水泵水轮机“S”特性最成熟有效的方法即加设导叶不同步装置（Misaligned Guide Vanse，MGV），即预先设定若干对活动导叶比其它活动导叶预开启一个较大的角度，以增大机组在启动工况时的过流量，从而让机组在启动过程中能尽量避开“S”特性区运行 [6-11]，最终达到改善机组“S”特性的问题。

那如何选择合适的、最优的MGV布置方式将对改善水泵水轮机组“S”特性问题十分关键。为了探索改善机组“S”特性的最优MGV布置方式，文章以某抽蓄电站混流式水泵水轮机模型机为研究对象，进行不同MGV布置方案工况下的三维定常流数值模拟，分析非同步导叶对数及相应导叶布置方位对机组全特性曲线中“S”特性区的影响变化规律。

1 数值计算模型与网格划分

1.1 三维模型建立

以某大型抽水蓄能电站混流式水泵水轮机模型机为研究对象，其主要几何参数为转轮进口直径D1=474mm，转轮出口直径D2=300mm，固定导叶数20，活动导叶数20，转轮叶片数9。全流道结构如图2所示。

1.2 网格划分

选用ICEM-CFD网格划分软件，对模型机五个基本过流通道（蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮以及尾水管）单独进行非结构化四面体网格划分，数值计算时将这五个单独计算域的网格依次导入ANSYS-FLUENT中合并成整机全流道计算域（图2），不同计算域通过设置网格交界面以实现相邻部件间流场信息的传递[11]。另外，应根据MGV布置方案，活动导叶的流道模型需单独绘制，并分别与绘制好的其余4个流道组成各全流道计算模型进行数值计算。

1.3 数值方法

文章数值计算应用ANSYS-FLUENT14.5 软件，选用标准κ-ε湍流模型，采用有限体积法离散控制方程组，建立相应离散方程，压力-速度耦合选取压力修正法中的SIMPLE算法；边界条件采取质量流量进口，平均静压出口（相对压力设为0Pa），固壁条件采用壁面速度无滑移，且近壁区采用标准壁面函数法；最后对收敛标准进行设定，设定残差值为1×10-4，并对进出口边界上的流量不平衡度进行监测，一般，当进出口不平衡度小于0.1%时即可判定计算收敛，确保文中所有数值计算的准确性和可靠性[9，11]。

2 MGV布置方案设计

为了便于非同步导叶布置方案的描述，对活动导叶进行编号，编号从鼻端位置对应的活动导叶开始，记为1#导叶，按序编号，共20个活动导叶，见图4。

根据相关文献资料及机组模型试验，选择同步导叶开度13°（“S”特性更明显），预开启导叶开度设定为30°，从非同步导叶对数、相同对数下导叶布置方位确定出六种MGV布置方案。具体设计方法：一对预开导叶、相应导叶布置方位设一三象限（2#-12#）和二四象限（7#-17#）；两对预开导叶、相应导叶布置方位设集中布位（3#-4#-13#-14#）和分散布位（2#-7#-12#-17#）；三对预开导叶、相应导叶布置方位设集中布位（4#-5#-6#-14#-15#-16#）和分散布位（2#-5#-9#-12#-15#-19#）。图5（a）、（b）、（c）所示为两对、三对方案预开导叶布局示意图，其中（a）为局部放大图。一对非同步导叶较简单不再列出。

3 计算分析

图6所示为11°和13°两小角度开启工况下不装设MGV装置时机组数值计算与模型试验特性曲线对比图。两者计算结果对应关系较好，一反面反映了数值计算方法的可行性及准确性；另一方面，反映出机组在水轮机工况低水头启动时可能存在“S”形特性，出现一个单位转速n11对应两个不同单位流量Q11的状况，导致机组运行不稳定。13°开度“S”特性较明显，故文章以13°为其余同步导叶开度去设定MGV的布置方案。

图7（a）、（b）和（c）为六种不同MGV布置方案下得到的计算特性曲线图；（d）图为不同预开导叶对数间的综合对比图（一对预开导叶二四象限布位（7#-17#）；两对和三对预开导叶分散布置）。

对比分析上述各图可得：

①预开一对导叶时，2#位非同步导叶因其距鼻端位置太近，使进入导叶区和转轮区的流体流态紊乱，2#-12#布位方案改善“S”特性的结果差于7#-17#布位方案；

②由（b）、（c）两图可以看出，预开启相同预开导叶对数时，相应预开导叶分散均匀布置的方案其结果要好于集中布置方案的结果；

③（d）是在最优预开导叶方位布置的基础上计算得到的不同预开导叶对数对机组“S”特性改善的对比。从特性曲线上看，两对预开导叶其“S”特性的缓解趋势最明显；但预开导叶数目继续增多，不难看出，其对“S”特性的改善效果并未提高，相反还有微弱的折返趋势。故并非预开导叶对数越多越好。

4 结论

通过对某抽蓄电站混流式水泵水轮机模型机组进行的六种MGV布置方案下的数值模拟计算，以及对各方案下特性曲线的对比分析，得出以下结论：

①从六种MGV布置方案下机组的外特性曲线能够看出，非同步导叶对数为两对及以上时，非同步导叶分散（对称）布位优于集中布位；而对于一对预开导叶工况，最优布位为7#-17#位，即非同步导叶的布置尽量避开鼻端位置；另外，并非预开导叶对数越多机组的“S”特性改善效果就越好；

②均匀开启两对预开导叶，相应2#-7#-12#-17#位导叶开至30°对机组“S”特性的改善效果最优；

③文章是基于定常流动的数值计算，而水泵水轮机水轮机启动工况是一瞬态过程，这对于研究机组运行稳定性问题有较大欠缺，故今后可着重进行机组瞬态流的分析，为指导工程实践提供依据。

参考文献：

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