董克青, 桂林, 刘凯

(1.中水北方勘测设计研究有限责任公司, 天津 300222; 2.四川大学水电学院, 四川 成都 610065)

水电站工作闸门动水关闭数值模拟分析

董克青1, 桂林2, 刘凯2

(1.中水北方勘测设计研究有限责任公司, 天津 300222; 2.四川大学水电学院, 四川 成都 610065)

结合某水电站的实际资料建立了由水库、引流道、工作闸门和蜗壳组成的三维模型, 运用数值模拟软件对实际工况和设计工况进行计算对比. 计算结果表明闸门在两个剪断销剪断时无法关闭的原因是滑块的老化导致摩擦系数增大. 由于闸门底部的特殊型式闸门在正常下落过程中底缘所受压力分布不均匀, 且随着开度的减小底部不均匀程度有所增加, 导致闸门关闭过程中的垂直振动, 机组强烈震动弃负荷时将飞逸, 对系统和人员的安全带来重大隐患. 本文对电站的安全生产和闸门的优化设计有一定参考价值.

闸门; 安全生产; 动水关闭; 滑块; 数值模拟

1 电站概况及存在的问题

某水电站总装水轮发电机组5台, 每台机组在进水口和尾水管出口部分均分隔为3个孔道, 沿水流方向依次布臵栏污栅、检修闸门、工作闸门和尾水闸门, 工作闸门紧接检修门槽下游设臵. 闸门设计可动水关闭, 但不要求快速下门, 关门时利用坝顶门机的主提升机构, 通过液压自动抓梁下放闸门, 利用闸门自重动水下落关门.

电站在运行一段时间后曾出现过剪断销剪断2个时就不能实现动水落下进水口工作闸门的情况(前两列门落到位, 第三列门在距离到位1m多的位臵无法下落), 当手动关闭活动导叶后, 工作闸门又能够顺利关闭. 当闸门不能顺利关闭时, 机组还不得不在此工况下工作. 与设计上存在偏差, 对机组的安全运行和检修人员的人身安全带来重大隐患.

2 流动模型与计算方法

2.1 水流控制方程

连续方程:

动量方程:

2.2 模型的建立

根据电站实际资料采用GAMBIT建立模型, 模型尺寸与实际尺寸相同, 包括四个部分: 水库、流道、工作闸门、蜗壳, 忽略蜗壳以后部件对流场的影响, 并对模型作了一定的简化. 为了减少计算量及增加计算的精确性,采用结构化的六面体网格, 在进水口、流道部分网格较为稀疏, 而在闸门附近采用较密的网格, 这样可以提高运算的速度. 下图是运行水位为22m, 闸门开度为10%, 流量为96.7 m3/s工况下模型结构图.

2.3 边界条件的确定

图1 三维模型图Fig.1 Dimensional model diagram

进口: 采用压力进口, 指定水位表面为大气压, 设臵入口处的总压.

出口: 采用压力出口, 根据下游尾水位反推得到蜗壳出口处的压力, 忽略蜗壳后面过流部件对计算的影响.

大气边界: 采用VOF法处理自由液面.

3 计算结果与分析

为了找到工作闸门无法完全关闭的原因, 根据电站的不同运行水位和闸门的不同开度建立了多种模型. 在以下工况下进行了数值模拟: 运行水位为18m、20m、22m、24m、26m、28m, 闸门相对开度为10%、20%、30%,以及流量为96.70 (m3/s) (相当于两个剪断销剪断)、48.35(m3/s) (相当于一个剪断销剪断)、27.8(m3/s) (相当于5%的设计流量).

3.1 持住力的定义

闸门的持住力[2]

3.2 持住力与运行水位、开度和摩擦系数之间的关系

该厂机组实际运行最大水头为28m, 最小水头为18m, 设计水头为22m. 一个剪断销剪断机组流量为48.35 m3/s, 两个剪断销剪断流量为96.7 m3/s. 以下两图为经fluent计算结合上面公式定义得到的不同闸门开度、不同流量, 滑块摩擦系数分别为0.17和0.11时持住力与运行水位的关系.

图2 滑块摩擦系数为0.17时持住力与运行水位的关系Fig.2 The relationship between holding force and water levels when When the friction coefficient of slider is 0.17

图3 滑块摩擦系数为0.11时持住力与运行水位的关系Fig.3 The relationship between holding force and water levels when When the friction coefficient of slider is 0.11

由图二和图三可以看出, 持住力在各种工况下随着运行水位变化而变化的规律相同, 都是随运行水位的增加而减小. 当机组的运行水位由18m上升到28m,闸门所处位臵的水深跟着增加, 闸门平板上所受到压力的不断增加使摩擦阻力不断增加, 而水柱力和下吸力虽然也有所增加但增加幅度相对较小, 所以随着运行水位的上升,持住力不断减小. 而闸门的下落(开度由30%降到10%)对持住力的影响和水位上升一样都是因为摩擦力增幅太大而致使持住力不断减小的. 而由图可见流量在96.7 m3/s时的持住力总是小于流量在48.35 m3/s时的持住力.

由图二、图三结合上面的分析可以得到, 只有在闸门开度小于10%、流量大于96.7 m3/s(即只有在两个及以上的活动导叶剪断销剪断)且滑块摩擦系数达到一定值时, 闸门的持住力才会为负, 即闸门不能在此时下落关闭,而根据该电站提供的资料, 这是与闸门的实际运行中遇到的问题是相符合的. 由此得出该电站闸门不能完全关闭的原因在于电站长期运行致使滑块老化受损, 滑块的摩擦系数变大, 从而使原先符合设 计要求的闸门无法正常下落. 所以建议更换老化的滑块材料, 并适当选用新材料滑块, 也可涂抹一层低摩擦系数涂料, 以应急关闭闸门.

3.3 闸门底部压强分布

为了分析在正常的情况下闸门底部压强的分布, 初始流量设臵为机组额定工作时的流量, 计算闸门在该种工况下的流场来研究其底部压强分布.

3.3.1 水头18m时的闸门底部压强分布

图4 从左至右闸门开度依次是20%、10%、5%Fig.4 Gate opening sequence from left to right are 20%, 10%, 5%

3.3.2 水头22m时的闸门底部压强分布

图5 从左至右闸门开度依次是20%、10%、5%Fig.5 Gate opening sequence from left to right are 20%, 10%, 5%

3.3.3 水头28m时的闸门底部压强分布

图6 从左至右闸门开度依次是20%、10%、5%Fig.6 Gate opening sequence from left to right are 20%, 10%, 5%

3.3.4 闸门底部最低压强与开度的关系

图7 闸门底缘最低压强与开度的Fig.7 The relationship between Low pressure at the bottom of the gate and opening degre

该电站工作闸门底部上游倾角38度, 下游倾角为0度(底部水平), 水流流经该处由于边界的突变流线发生弯曲流速分布进行改组, 流速分布进行改组产生脉动, 而水流的脉动又会导致闸门底部压力的分布不均匀.[6]由图四、图五、图六可以看出不同水位下闸门上下游压力分布的变化规律基本相同, 闸门底部靠近上游处压强分布很不均匀, 而靠近下游处压强分布相对均匀些且随着闸门开度的减小, 闸门底部上游处压力不断减小且不均

匀程度不断增加. 而闸门底部压力的分布不均匀又会导致闸门的垂直振动, 影响闸门工作的安全和稳定性.

由图七可以看出, 闸门底部的最低压强随着开度的减小不断降低, 在10%开度以下时, 底部的压强急剧下降直至出现负压, 由此闸门在下降至小开度或因某种原因停在小开度不能关闭时, 极易出现负压, 诱发空化, 从而使闸门产生振动, 导致闸门结构或闸门槽破坏, 影响闸门和闸门槽的安全运行,[9]应极力避免此种情况发生.

4 结论

（1）闸门的持住力随着运行水位的升高而不断减小, 随着闸门的下降而不断减小.

（2）闸门在两个剪断销剪断时持住力为负值, 不能关闭的主要原因是由于长期运行致使滑块老化, 下降过程中的摩擦阻力太大, 建议更换摩擦系数较小的材料, 定期检查.

（3）闸门下落过程中闸门底部由于型式的特殊靠近下游部分压力分布相对均匀, 而靠近上游部分压力分布不均匀, 且随着开度的减小不均匀程都有所增加.

（4）通过对该模型的计算得到了闸门不能下落的原因, 与电站实际运行情况相吻合, 表明数值模拟是一种经济有效的研究方法, 用数值模拟来代替昂贵且耗时较长的物理模型实验是可行的.

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Numerical simulation about fast gate hydrodynamic closing of hydropower

DONG Ke-qing, GUI Lin, LIU Kai

(1. China Water Resources Beifang Investigation, Design and Research Co., Ltd, Tianjin 300222, P.R.C.;
2.School of Water Resource & Hydropower, Sichuan University,Chengdu 610065, P.R.C.)

Based on the actual data in a hydropower station, a three-dimensional model was established, which was composed of reservoir, flow channel, working gate and volute. The actual working conditions and design conditions were compared by the calculation of numerical simulation software. The calculation results show that the reason why the gate can not be closed with the shearing off of the two shear pin is the increase of its friction coefficient resulting from the aging slider. Because of its special type, the bottom edge of the gate bears pressure of inhomogeneous distribution when falling down normally. Besides, with the reduction of the opening scope, the unevenness degree will be increased, which may result in the vertical vibration when closing. After that, the strong vibration in the cause of abandoning load may lead to unit of running away, which may pose significant security risks for the system and staff. This paper has a certain reference value for the daily running of the power station and the optimization design of the gate.

gate; safe production; hydrodynamic close; slider; numerical simulation

TV732

: A

: 1003-4271(2014)03-0428-06

10.3969/j.issn.1003-4271.2014.03.19

2014-02-25

董克青(1966-), 男, 天津市津南区, 高级工程师; 桂林(1963-), 男, 副教授, 研究方向: 水电站水力学及动力系统.通讯作者: 刘凯(1989-), 男, 硕士, 研究方向为电站水力学及动力系统, E-mail: 596820868@qq.com .