軸流式水輪機葉片外緣間隙大小對間隙空化的影響數(shù)值研究

付國龍

哈爾濱大電機研究所 水力發(fā)電設備國家重點試驗室 黑龍江 哈爾濱 150040

1 引言

軸、貫流式水輪機葉片外緣與轉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流速增加,壓力會降低。所以在葉片外緣與轉輪室之間的間隙附近容易發(fā)生間隙空化,引起轉輪室以及葉片的空蝕破壞,導致水輪機性能參數(shù)惡化、機械振動和噪音,進而影響水輪機安全運行。為了改善軸、貫流式水輪機葉片外緣與轉輪室之間發(fā)生的間隙空化,國內(nèi)外公司普遍采用的方法為在葉片外緣背面增設裙邊。1999年,瑞士工學院的KIMON ROUSSOPOULOS等人通過粒子圖像測速儀(PIV)對裙邊附近流動情況和其對空化的影響進行了試驗研究。2007年,羅馬尼亞的Constantin Viorel CAMPIAN等人對裙邊對空化影響進行了數(shù)值模擬和試驗研究。安德里茨和GE水電也分別對裙邊對空化的影響進行了模擬和試驗研究。2012年,捷克Litostroj電力公司的L Motycak等人,在已有真機業(yè)績并15000小時運行的情況下,考慮裙邊對空化的影響進行了進一步的分析。

本文在借鑒以上研究的基礎上,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軟件為平臺建立了水輪機全通道數(shù)值模擬計算模型,基于數(shù)值計算結果,詳細分析了不同間隙大小條件下,轉輪葉片外緣兩相流場的特征以及氣泡分布規(guī)律。

2 數(shù)值計算

2.1 計算模型及邊界條件 本文針對某5葉片軸流式水輪機進行研究,建立了模型水輪機全流道三維模型。

數(shù)值計算中水輪機的計算域包括蝸殼、導葉區(qū)、轉輪和尾水管四個部分,每個部分獨立進行網(wǎng)格劃分,之后通過內(nèi)部交界面進行連接,計算域及邊界條件設置,計算域網(wǎng)格單元總數(shù)7162984。蝸殼進口采用壓力進口條件,尾水管出口采用壓力出口條件,動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模型進行模擬,其它邊界如蝸殼、轉輪、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 軸流式水輪機轉輪室為半球室,當葉片轉角增大時,葉片外緣進水邊側和出水邊側會探出球室,探出球室的部分與轉輪室不再是平行的,間隙會突然增大。葉片在+5度轉角下,等間隙值密封區(qū)間為25%～80%；

3 計算結果與討論

計算選擇葉片轉角為+5度,等間隙值密封區(qū)間為25%～80%。葉片外緣與轉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。比較葉片與轉輪室的等間隙值密封區(qū)間的間隙大小不同對間隙空化的影響。計算工況如表1所示。

表1 計算工況

在計算結果中,做氣體體積百分比為1%的等值曲面,預測空化氣泡的發(fā)生位置及尺寸。計算結果如圖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 結論

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

3.1 相同單位轉速下,隨著軸流式水輪機葉片外緣與轉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,隨著單位轉速增高,軸流式水輪機葉片外緣與轉輪室之間,間隙空化逐漸減弱。