軸流式水輪機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. 水力發電設備國家重點實驗室，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. 水力發電設備國家重點實驗室，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間隙空化與翼型空化的差別，并針對在軸流式水輪機模型試驗中出現的特殊空化現象，通過CFD數值模擬技術進行分析，初步確定發生空化位置，采取一定的消除間隙空化措施，并在模型試驗中進一步證實，該空化現象為間隙空化。

軸流式水輪機；間隙空化；CFD；翼型空化

1 前言

取措施，對改善軸流式水輪機空化以及提高機組的運行穩定性是大有益處的。

以水為介質的液流，一定溫度下，流經局部地區。當壓強低于某臨界值時，水體內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，這種由于壓強降低使水汽化的過程稱為“空化”。在低壓區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性，水流挾帶著的空泡在流經下游壓強較高的區域時，空泡將膨大，最終發生潰滅。因此，空化現象包括空泡的發生、發展和潰滅，它是個非穩定過程。在水輪機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水力性能參數惡化、機械振動和噪音，進而影響水輪機的安全運行。

本文著重闡述了在軸流式水輪機中翼型空化和間隙空化的差別及其表現形式，通過CFD數值模擬技術進行模擬分析，初步確定發生空化的位置，并在模型中采取一定措施來消除空化，進而確定空化的類型，并通過模型試驗進一步證實其空化類型。明確了軸流式水輪機翼型空化與間隙空化的差別，有針對性地采

2 空化現象及其特性

水輪機中空化現象按空化發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。下面針對發生在軸流式水輪機中翼型空化和間隙空化的原因、表現形式，以及由此引起空蝕破壞作進一步的闡述。

軸流式水輪機的翼型空化主要指水流流經葉片時，局部壓強降低所引起的空化，翼型空化與翼型的幾何形狀以及水輪機的運行工況密切相關。葉片翼型對空化的影響表現在：葉片翼型不同，其邊壁上的空化數分布不同，空化數低的翼型，空化性能好。水輪機運行工況對空化的影響表現在：當水輪機工況偏離設計工況時，由于進口相對速度大小及方向發生變化，就會造成葉片邊壁壓強分布的偏離，改變了葉片上的空化數分布，進而影響空化發生的部位。

軸流式水輪機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、壓強降低而產生的一種漩渦空化。在軸流式水輪機中，間隙空化造成的空蝕比較突出。特別是在轉輪葉片外緣與轉輪室，以及葉片內緣與轉輪體的間隙附近，這種空化極易造成轉輪室、葉片外緣、葉片法蘭的下表面和轉輪體局部空蝕破壞，雖然這種空化的破壞范圍一般不大，但是破壞程度嚴重。

從概念上的比較不難發現：軸流式水輪機的翼型空化主要出現在葉片上，根據葉片翼型和運行工況的不同，可能出現在葉片進、出水邊上，也可能出現在葉片的工作面或背面上。間隙空化除了出現在間隙空化附近的轉輪室以及轉輪體上，還有可能發生在葉片上。為了進一步從感官上區別不同的空蝕類別，清楚地區分葉片翼型空化和間隙空化，對國內安裝有軸流式水輪機的電站檢修時葉片的空蝕照片，進行了分類整理，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為轉輪室間隙空蝕圖；圖6為轉輪體間隙空蝕圖；圖7為葉片裙邊間隙空蝕圖。

圖1 葉片進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別是很明顯的。例如圖7中葉片間隙空化表現在葉片裙邊的空蝕上，經過長時間的機組運行，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空蝕掉許多，靠近進水邊處的裙邊更嚴重，同時葉片翼型空化在葉片背面也表現得很明顯。但是發生在葉片內緣根部與轉輪體處的空化，究竟是翼型空化、還是間隙空化？有時其界定就很困難了，尤其是在真機中。一旦機組出現空蝕、振動和噪音等現象，如何透過現象看本質就是水力工程師必需面臨的一個難題，只有認識到事物的本質，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 轉輪室間隙空蝕圖

圖6 轉輪體間隙空蝕圖

圖7 葉片輪緣裙邊間隙空蝕圖

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

3 CFD分析

3.1 計算模型

隨著計算機性能及流體分析軟件的不斷發展，通過計算機進行大型流動計算分析已經越來越普遍了。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，可以選擇旋轉坐標系，具有強大的前后處理功能，并為用戶提供了源程序代碼接口，用戶可以根據實際需要建立自己的數學模型，更主要的功能是CFX軟件可以進行非結構化網格計算。

在軸流式水輪機設計時，對于不同葉片轉角，能夠模擬葉片外緣和轉輪室以及葉片內緣與轉輪體之間的小間隙，并對實體進行非結構化網格劃分和計算。

3.2 數模建立

數值計算采用單通道計算。其計算域為一個導葉和一個轉輪葉片，計算域網格劃分更多，能夠更準確地模擬出導葉和葉片的形狀，提高計算的準確性和可參考性，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

在水輪機通道的數值模擬計算中，不僅要考慮旋轉部件，同時還要考慮靜止部件。數值計算時，以質量流量為全通道計算的進口條件，以靜態壓力等于零為計算域出口條件，活動導葉及轉輪室等壁面邊界條件設置固定壁面，轉輪體及葉片部分設置為旋轉壁面。

3.3 數值計算

通過對軸流式水輪機額定水頭最大出力工況點的計算，可以發現該轉輪在葉片背面內緣和外緣處有低壓區，可能產生空化，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生空化及其空化類別，在模型試驗中進行了無內裙邊和有內裙邊的對比試驗，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。計算工況無內裙邊模型空化圖片如圖10所示；加內裙邊模型試驗裝置圖片如圖11所示；計算工況有內裙邊模型空化圖片如圖12所示。

圖10 計算工況無內裙邊模型空化圖片

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

圖11 加內裙邊模型試驗裝置圖片

圖12 計算工況有內裙邊模型空化圖片

5 結論

針對在軸流式水輪機葉片上出現的復雜空化現象，可以通過數值計算和模型試驗相結合的方法，進行空化類別的區分，根據不同的空化類別，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輪空蝕問題。

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

[2] 王正偉. 流體機械基礎[M]. 北京：清華大學出版社, 2006.

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[6] 程良駿. 水輪機[M]. 北京：機械工業出版社,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年畢業于華中工學院水力機械專業，主要從事方向為水輪機設計及試驗測試方面的研究，教授級高級工程師。