軸流式水輪機(jī)間隙空化與翼型空化差別淺談

覃大清，韓秀麗，劉 斌，劉萬江，魏顯著

(1. 水力發(fā)電設(shè)備國家重點實驗室，哈爾濱 150040；2. 中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443002）

軸流式水輪機(jī)間隙空化與翼型空化差別淺談

覃大清1，韓秀麗1，劉 斌2，劉萬江1，魏顯著1

(1. 水力發(fā)電設(shè)備國家重點實驗室，哈爾濱 150040；2. 中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443002）

本文介紹了軸流式水輪機(jī)間隙空化與翼型空化的差別，并針對在軸流式水輪機(jī)模型試驗中出現(xiàn)的特殊空化現(xiàn)象，通過CFD數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行分析，初步確定發(fā)生空化位置，采取一定的消除間隙空化措施，并在模型試驗中進(jìn)一步證實，該空化現(xiàn)象為間隙空化。

軸流式水輪機(jī)；間隙空化；CFD；翼型空化

1 前言

取措施，對改善軸流式水輪機(jī)空化以及提高機(jī)組的運行穩(wěn)定性是大有益處的。

以水為介質(zhì)的液流，一定溫度下，流經(jīng)局部地區(qū)。當(dāng)壓強(qiáng)低于某臨界值時，水體內(nèi)部原來含有的很小的氣泡將迅速膨脹，在水中形成含有水蒸氣或者其他氣體的明顯氣泡，這種由于壓強(qiáng)降低使水汽化的過程稱為“空化”。在低壓區(qū)空化的液體挾帶著大量的空泡，形成了“兩相流”運動，因而破壞了液體宏觀上的連續(xù)性，水流挾帶著的空泡在流經(jīng)下游壓強(qiáng)較高的區(qū)域時，空泡將膨大，最終發(fā)生潰滅。因此，空化現(xiàn)象包括空泡的發(fā)生、發(fā)展和潰滅，它是個非穩(wěn)定過程。在水輪機(jī)中空化可引起過流部件的空蝕破壞，其后果主要是引起水輪機(jī)水力性能參數(shù)惡化、機(jī)械振動和噪音，進(jìn)而影響水輪機(jī)的安全運行。

本文著重闡述了在軸流式水輪機(jī)中翼型空化和間隙空化的差別及其表現(xiàn)形式，通過CFD數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行模擬分析，初步確定發(fā)生空化的位置，并在模型中采取一定措施來消除空化，進(jìn)而確定空化的類型，并通過模型試驗進(jìn)一步證實其空化類型。明確了軸流式水輪機(jī)翼型空化與間隙空化的差別，有針對性地采

2 空化現(xiàn)象及其特性

水輪機(jī)中空化現(xiàn)象按空化發(fā)生的部位將其分為翼型空化、間隙空化、空腔空化和局部空化。下面針對發(fā)生在軸流式水輪機(jī)中翼型空化和間隙空化的原因、表現(xiàn)形式，以及由此引起空蝕破壞作進(jìn)一步的闡述。

軸流式水輪機(jī)的翼型空化主要指水流流經(jīng)葉片時，局部壓強(qiáng)降低所引起的空化，翼型空化與翼型的幾何形狀以及水輪機(jī)的運行工況密切相關(guān)。葉片翼型對空化的影響表現(xiàn)在：葉片翼型不同，其邊壁上的空化數(shù)分布不同，空化數(shù)低的翼型，空化性能好。水輪機(jī)運行工況對空化的影響表現(xiàn)在：當(dāng)水輪機(jī)工況偏離設(shè)計工況時，由于進(jìn)口相對速度大小及方向發(fā)生變化，就會造成葉片邊壁壓強(qiáng)分布的偏離，改變了葉片上的空化數(shù)分布，進(jìn)而影響空化發(fā)生的部位。

軸流式水輪機(jī)間隙空化是由于水流通過某些窄小通道或間隙時，引起局部流速升高、壓強(qiáng)降低而產(chǎn)生的一種漩渦空化。在軸流式水輪機(jī)中，間隙空化造成的空蝕比較突出。特別是在轉(zhuǎn)輪葉片外緣與轉(zhuǎn)輪室，以及葉片內(nèi)緣與轉(zhuǎn)輪體的間隙附近，這種空化極易造成轉(zhuǎn)輪室、葉片外緣、葉片法蘭的下表面和轉(zhuǎn)輪體局部空蝕破壞，雖然這種空化的破壞范圍一般不大，但是破壞程度嚴(yán)重。

從概念上的比較不難發(fā)現(xiàn)：軸流式水輪機(jī)的翼型空化主要出現(xiàn)在葉片上，根據(jù)葉片翼型和運行工況的不同，可能出現(xiàn)在葉片進(jìn)、出水邊上，也可能出現(xiàn)在葉片的工作面或背面上。間隙空化除了出現(xiàn)在間隙空化附近的轉(zhuǎn)輪室以及轉(zhuǎn)輪體上，還有可能發(fā)生在葉片上。為了進(jìn)一步從感官上區(qū)別不同的空蝕類別，清楚地區(qū)分葉片翼型空化和間隙空化，對國內(nèi)安裝有軸流式水輪機(jī)的電站檢修時葉片的空蝕照片，進(jìn)行了分類整理，以下是具有代表性的空蝕照片。圖1為葉片進(jìn)水邊翼型空蝕及局部放大圖；圖2為葉片出水邊翼型空蝕及局部放大圖；圖3為葉片工作面翼型空蝕及局部放大圖；圖4為葉片背面翼型及局部放大空蝕圖；圖5為轉(zhuǎn)輪室間隙空蝕圖；圖6為轉(zhuǎn)輪體間隙空蝕圖；圖7為葉片裙邊間隙空蝕圖。

圖1 葉片進(jìn)水邊翼型空蝕及局部放大圖

通常情況下，翼型空化和間隙空化的區(qū)別是很明顯的。例如圖7中葉片間隙空化表現(xiàn)在葉片裙邊的空蝕上，經(jīng)過長時間的機(jī)組運行，間隙空化后的裙邊無論是厚度方向、寬度方向，還是高度方向都已經(jīng)空蝕掉許多，靠近進(jìn)水邊處的裙邊更嚴(yán)重，同時葉片翼型空化在葉片背面也表現(xiàn)得很明顯。但是發(fā)生在葉片內(nèi)緣根部與轉(zhuǎn)輪體處的空化，究竟是翼型空化、還是間隙空化？有時其界定就很困難了，尤其是在真機(jī)中。一旦機(jī)組出現(xiàn)空蝕、振動和噪音等現(xiàn)象，如何透過現(xiàn)象看本質(zhì)就是水力工程師必需面臨的一個難題，只有認(rèn)識到事物的本質(zhì)，才能更好地解決問題。

圖2 葉片出水邊翼型空蝕及局部放大圖

圖3 葉片工作面翼型空蝕及局部放大圖

圖4 為葉片背面翼型空蝕及局部放大圖

圖5 轉(zhuǎn)輪室間隙空蝕圖

圖6 轉(zhuǎn)輪體間隙空蝕圖

圖7 葉片輪緣裙邊間隙空蝕圖

通過對轉(zhuǎn)輪葉片CFD分析來確定空化位置，結(jié)合在模型葉片上加內(nèi)裙邊的方式進(jìn)行處理，通過試驗觀測來確定空化類型。如果在葉片內(nèi)緣根部處不再出現(xiàn)空化現(xiàn)象，就說明此空化是間隙空化引起的，如果葉片內(nèi)緣根部依然出現(xiàn)空化，說明此空化是葉片翼型空化，將兩種空化現(xiàn)象清楚地區(qū)分開來，有利于問題的解決。

3 CFD分析

3.1 計算模型

隨著計算機(jī)性能及流體分析軟件的不斷發(fā)展，通過計算機(jī)進(jìn)行大型流動計算分析已經(jīng)越來越普遍了。CFX軟件可以計算三維有勢流動或粘性流動、可壓流或不可壓流，可以選擇旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，具有強(qiáng)大的前后處理功能，并為用戶提供了源程序代碼接口，用戶可以根據(jù)實際需要建立自己的數(shù)學(xué)模型，更主要的功能是CFX軟件可以進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格計算。

在軸流式水輪機(jī)設(shè)計時，對于不同葉片轉(zhuǎn)角，能夠模擬葉片外緣和轉(zhuǎn)輪室以及葉片內(nèi)緣與轉(zhuǎn)輪體之間的小間隙，并對實體進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分和計算。

3.2 數(shù)模建立

數(shù)值計算采用單通道計算。其計算域為一個導(dǎo)葉和一個轉(zhuǎn)輪葉片，計算域網(wǎng)格劃分更多，能夠更準(zhǔn)確地模擬出導(dǎo)葉和葉片的形狀，提高計算的準(zhǔn)確性和可參考性，具體的單通道三維造型圖如圖8所示。

圖8 單通道三維造型圖

在水輪機(jī)通道的數(shù)值模擬計算中，不僅要考慮旋轉(zhuǎn)部件，同時還要考慮靜止部件。數(shù)值計算時，以質(zhì)量流量為全通道計算的進(jìn)口條件，以靜態(tài)壓力等于零為計算域出口條件，活動導(dǎo)葉及轉(zhuǎn)輪室等壁面邊界條件設(shè)置固定壁面，轉(zhuǎn)輪體及葉片部分設(shè)置為旋轉(zhuǎn)壁面。

3.3 數(shù)值計算

通過對軸流式水輪機(jī)額定水頭最大出力工況點的計算，可以發(fā)現(xiàn)該轉(zhuǎn)輪在葉片背面內(nèi)緣和外緣處有低壓區(qū)，可能產(chǎn)生空化，具體葉片背面壓力等勢圖如圖9所示。

圖9 葉片背面壓力等勢圖

4 模型試驗

為了確定該葉片在計算工況是否發(fā)生空化及其空化類別，在模型試驗中進(jìn)行了無內(nèi)裙邊和有內(nèi)裙邊的對比試驗，通過試驗圖片可以清楚地看出加裙邊前后葉片上空化的變化。計算工況無內(nèi)裙邊模型空化圖片如圖10所示；加內(nèi)裙邊模型試驗裝置圖片如圖11所示；計算工況有內(nèi)裙邊模型空化圖片如圖12所示。

圖10 計算工況無內(nèi)裙邊模型空化圖片

通過試驗發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)輪葉片在計算工況確實發(fā)生了空化現(xiàn)象，其位置和數(shù)值計算的位置很吻合。在模型葉片內(nèi)緣根部加內(nèi)裙邊，再次進(jìn)行模型試驗，試驗證實在相同工況葉片內(nèi)緣處不再出現(xiàn)空化現(xiàn)象，而在葉片外緣處依然出現(xiàn)空化現(xiàn)象，就說明葉片背面內(nèi)緣處的空化不是葉片翼型空化，而是間隙空化。

圖11 加內(nèi)裙邊模型試驗裝置圖片

圖12 計算工況有內(nèi)裙邊模型空化圖片

5 結(jié)論

針對在軸流式水輪機(jī)葉片上出現(xiàn)的復(fù)雜空化現(xiàn)象，可以通過數(shù)值計算和模型試驗相結(jié)合的方法，進(jìn)行空化類別的區(qū)分，根據(jù)不同的空化類別，有針對性的解決空化問題。該方法將有利于實際電站空化類別的確定和解決轉(zhuǎn)輪空蝕問題。

[1] 韓秀麗. 超軸流式水輪機(jī)間隙流動分析[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2009（3）: 44-47.

[2] 王正偉. 流體機(jī)械基礎(chǔ)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社, 2006.

[3] 王福軍. 計算動力學(xué)分析[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2004.

[4] 吳玉林. 流體機(jī)械及工程[M]. 北京: 中國環(huán)境科學(xué)出版社, 2003.

[5] 聶榮升. 水輪機(jī)中的空化和空蝕[M]. 北京: 水力電力出版社, 1985.

[6] 程良駿. 水輪機(jī)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1981.

審稿人：吳新潤

Research on Differences between Clearance Cavitation and Airfoil Cavitation in Axial Flow Turbine

QIN Daqing1, HAN Xiuli1, LIU Bin2, LIU Wanjiang1, WEI Xianzhu1,
(1. State Key Laboratory of Hydropower Equipment, Harbin 150040, China;2. China Yangtze Power Co., Ltd., Yichang 443002, China)

This paper outlines the differences between clearance cavitation and airfoil cavitation in an axial flow turbine. Specifically, CFD technologies were implemented to analyze the special cavitation phenomena observed in model test and the position where cavitation happens. Based on the simulation, suitable measures avoiding clearance cavitation were proposed to eliminate the cavitation and also validated by model test.

axial flow turbine; clearance cavitation; CFD; airfoil cavitation

TK733+.3

A

1000-3983(2012)02-0034-04

2011-07-20

覃大清（1965-），1987年畢業(yè)于華中工學(xué)院水力機(jī)械專業(yè)，主要從事方向為水輪機(jī)設(shè)計及試驗測試方面的研究，教授級高級工程師。