徑向式導水機構導葉端面間隙流場數值模擬分析

譚倫慧 李彥瑞

（1.茂名市粵能電力股份有限公司，廣東 茂名525000；2.廣東電網有限責任公司茂名供電局，廣東 茂名525000）

0 引言

徑向導水機構導葉損壞的主要現象是：導葉頭部和尾端局部穿透或缺角，背面存在順流方向的魚鱗坑，上部抗磨板有均勻磨低現象，下部抗磨板表面則密布魚鱗坑和溝槽[1]。導葉損壞如此嚴重主要是由于：導葉與頂蓋底環之前存在端面間隙，機組在運行中易發生間隙空蝕。

因此，對徑向導水機構導葉的端面間隙進行分析研究，得到合理的端面間隙高度，對于解決導水機構過流表面的空蝕破壞問題具有重要意義。

1 模型建立

以HL180/D06A為例，對其導水機構端面間隙進行數值模擬。其導葉平面葉型圖，如圖1。

由于機組在運行過程中導葉及其周邊的水體是延主軸周期對稱的，為簡化運算，本文忽略局部差異，對導水機構導葉進行整體建模后，將其整體水體模型進行16均分，得到單流道水體模型，如圖2。

圖1 導葉平面葉型圖

圖2 單流道水體模型

2 導葉端面間隙數值分析

2.1 工況選擇

由于導葉正面和背面有壓差，故端面間隙內會產生間隙流動，間隙流動容易在局部形成低壓區，此低壓區是間隙可能發生空蝕的核心區。由文獻[2]知端面間隙選擇范圍，本文將對最優工況下端面間隙高度分別為0.6mm，0.8mm，1.0mm，1.2mm，1.4mm的模型進行數值模擬計算；大流量工況下端面間隙高度分別為0.6mm，1.0mm，1.4mm的模型進行數值模擬計算。

2.2 不同間隙下導葉端面壓力分布

為了探討導葉端面易發生空蝕的部位，放大顯示最優工況、大流量工況各間隙下這一區域的壓力分布，更好地反映出間隙流動對端面的影響。如圖3和圖4。

圖3 最優工況下導葉端面壓力分布

圖4 大流量工況下導葉端面壓力分布

由圖3和圖4的壓力分布可得到以下結論：

（1）導葉端面有兩個低壓區，一個發生在導葉軸頸兩側，另一個發生在導葉進口邊緣附近，這就是導葉端面易發生空蝕的區域。

（2）隨著端面間隙增大，端面軸頸處低壓區面積增大，低壓區中心的壓力值更低，但間隙增大到一定程度時，低壓區面積變化不大。

（3）隨著端面間隙增大，在最優工況下端面進口邊緣附近的低壓區面積和低壓區中心的壓力值變化不大，但在大流量工況時低壓區面積變大。

（4）大流量工況下端面軸頸處和導葉進口邊緣附近的低壓區面積比最優工況時大，說明大流量工況下比最優工況易發生空蝕。

2.3 不同間隙下導葉端面軸勁處的速度矢量

最優工況、大流量工況下各間隙的端面軸頸處速度矢量分布圖如圖5和圖6。

圖5 最優工況下導葉軸頸處速度矢量分布圖

圖6 大流量工況下導葉軸頸處速度矢量分布圖

由圖5和圖6的速度矢量分布可得到以下結論：

（1）導葉軸頸處的回流渦產生在軸頸空蝕區后，當間隙小于0.8mm時，導葉軸頸后回流渦強度變化不明顯，大于0.8mm時，隨間隙值增大，回流渦強度增強，且回流區域擴大。

（2）大流量工況下回流渦強度比最優工況時增強，且回流區域更大。

3 小結

本文對混流式水輪機在最優和大流量工況下的導水機構活動導葉不同端面間隙高度的流場進行數值模擬。計算采用的流場模型在AUTO CAD和UG中生成，流場數值模擬計算在Fluent中進行。分析計算結果，可得到以下結論：

隨著導葉端面間隙增大，導葉端面產生空蝕的范圍越大，導葉軸頸后的回流強度越強。所以在符合安裝等條件下，端面間隙越小越好。

隨著導葉端面間隙增大，大流量工況下比最優工況易發生空蝕；大流量工況下的回流渦強度比最優工況時增強，且回流區域變大。所以在滿足電力需求的情況下，機組優先在最優工況下運行。

通過數值模擬方法計算導水機構內部流場，可以方便地揭示流場內的速度和壓力分布，對水電站水輪機參數的優化設計和改進有著重要的意義。

［1］宋文武,等.水力機械及工程設計[M].重慶:重慶大學出版社,2005.

［2］劉大愷.水輪機[M].北京:中國水利水電出版社,1996.

［3］廖偉麗,李建中.水輪機導葉端面間隙流動的數值模擬和實驗研究[C]//第十六屆全國水動力學研討會文集.2002.

［4］廖偉麗,李建中.水輪機導葉含端面間隙的水動力學研究[J].水利學報,2003(2): 43-47.

［5］王福軍.計算流體動力學分析-CFD軟件原理與應用[M].北京:清華大學出版社,2004.

［6］馮艷蓉,常志賢.豐滿電站水輪機導水機構密封改進[J].大電機技術,2001(4): 41-43.

［7］周傳和,周波濤.鳳灘水電廠2號機導水機構漏水量大原因分析與改造措施[J].中南水力發電,2001(9):69-71.

［8］熊朝明,張洪,鄒龍軍.水輪機導水機構漏水影響原因分析及處理[J].中國水能及電氣化,2009(4):38-41.

［9］趙海剛,姜秀麗.水輪機導葉端面間隙的控制[J].機電工程,2006,23(11):24-26.