軸流式水輪機(jī)葉片外緣間隙大小對(duì)間隙空化的影響數(shù)值研究

付國(guó)龍

哈爾濱大電機(jī)研究所 水力發(fā)電設(shè)備國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室 黑龍江 哈爾濱 150040

1 引言

軸、貫流式水輪機(jī)葉片外緣與轉(zhuǎn)輪室之間存在很小的間隙,其大小一般為葉輪直徑的0.05%。由于液流通過狹小隙縫時(shí)流速增加,壓力會(huì)降低。所以在葉片外緣與轉(zhuǎn)輪室之間的間隙附近容易發(fā)生間隙空化,引起轉(zhuǎn)輪室以及葉片的空蝕破壞,導(dǎo)致水輪機(jī)性能參數(shù)惡化、機(jī)械振動(dòng)和噪音,進(jìn)而影響水輪機(jī)安全運(yùn)行。為了改善軸、貫流式水輪機(jī)葉片外緣與轉(zhuǎn)輪室之間發(fā)生的間隙空化,國(guó)內(nèi)外公司普遍采用的方法為在葉片外緣背面增設(shè)裙邊。1999年,瑞士工學(xué)院的KIMON ROUSSOPOULOS等人通過粒子圖像測(cè)速儀(PIV)對(duì)裙邊附近流動(dòng)情況和其對(duì)空化的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究。2007年,羅馬尼亞的Constantin Viorel CAMPIAN等人對(duì)裙邊對(duì)空化影響進(jìn)行了數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究。安德里茨和GE水電也分別對(duì)裙邊對(duì)空化的影響進(jìn)行了模擬和試驗(yàn)研究。2012年,捷克Litostroj電力公司的L Motycak等人,在已有真機(jī)業(yè)績(jī)并15000小時(shí)運(yùn)行的情況下,考慮裙邊對(duì)空化的影響進(jìn)行了進(jìn)一步的分析。

本文在借鑒以上研究的基礎(chǔ)上,采用汽液兩流體多相流模型,充分考慮汽液兩相間的相互作用,以CFX軟件為平臺(tái)建立了水輪機(jī)全通道數(shù)值模擬計(jì)算模型,基于數(shù)值計(jì)算結(jié)果,詳細(xì)分析了不同間隙大小條件下,轉(zhuǎn)輪葉片外緣兩相流場(chǎng)的特征以及氣泡分布規(guī)律。

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 計(jì)算模型及邊界條件 本文針對(duì)某5葉片軸流式水輪機(jī)進(jìn)行研究,建立了模型水輪機(jī)全流道三維模型。

數(shù)值計(jì)算中水輪機(jī)的計(jì)算域包括蝸殼、導(dǎo)葉區(qū)、轉(zhuǎn)輪和尾水管四個(gè)部分,每個(gè)部分獨(dú)立進(jìn)行網(wǎng)格劃分,之后通過內(nèi)部交界面進(jìn)行連接,計(jì)算域及邊界條件設(shè)置,計(jì)算域網(wǎng)格單元總數(shù)7162984。蝸殼進(jìn)口采用壓力進(jìn)口條件,尾水管出口采用壓力出口條件,動(dòng)域與靜域間的交界面(Interface)使用非一致網(wǎng)格連接,采用stage界面?zhèn)鬟f模型進(jìn)行模擬,其它邊界如蝸殼、轉(zhuǎn)輪、尾水管均采用無滑移壁面邊界條件。

2.2 等間隙密封區(qū)間 軸流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪室為半球室,當(dāng)葉片轉(zhuǎn)角增大時(shí),葉片外緣進(jìn)水邊側(cè)和出水邊側(cè)會(huì)探出球室,探出球室的部分與轉(zhuǎn)輪室不再是平行的,間隙會(huì)突然增大。葉片在+5度轉(zhuǎn)角下,等間隙值密封區(qū)間為25%～80%；

3 計(jì)算結(jié)果與討論

計(jì)算選擇葉片轉(zhuǎn)角為+5度,等間隙值密封區(qū)間為25%～80%。葉片外緣與轉(zhuǎn)輪室之間等間隙值密封區(qū)間的間隙大小分別0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm。比較葉片與轉(zhuǎn)輪室的等間隙值密封區(qū)間的間隙大小不同對(duì)間隙空化的影響。計(jì)算工況如表1所示。

表1 計(jì)算工況

在計(jì)算結(jié)果中,做氣體體積百分比為1%的等值曲面,預(yù)測(cè)空化氣泡的發(fā)生位置及尺寸。計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

圖1 n11=132.9按先后順序間隙分別為0.2、0.3、0.4、0.5

3 結(jié)論

本文在汽液兩流體模型的框架內(nèi),應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)軟件CFX建立了水輪機(jī)葉片間隙空化數(shù)值計(jì)算模型。分析了軸流式水輪機(jī)葉片外緣間隙大小對(duì)間隙空化的影響,得到主要結(jié)論如下：

3.1 相同單位轉(zhuǎn)速下,隨著軸流式水輪機(jī)葉片外緣與轉(zhuǎn)輪室間隙在一定范圍內(nèi)逐漸增大,間隙空化逐漸加劇,效率降低。

3.2 相同間隙下,隨著單位轉(zhuǎn)速增高,軸流式水輪機(jī)葉片外緣與轉(zhuǎn)輪室之間,間隙空化逐漸減弱。