轴流式水轮机间隙空化与翼型空化差别浅谈

覃大清，韩秀丽，刘 斌，刘万江，魏显著

(1. 水力发电设备国家重点实验室，哈尔滨 150040；2. 中国长江电力股份有限公司，湖北 宜昌 443002）

轴流式水轮机间隙空化与翼型空化差别浅谈

覃大清1，韩秀丽1，刘 斌2，刘万江1，魏显著1

(1. 水力发电设备国家重点实验室，哈尔滨 150040；2. 中国长江电力股份有限公司，湖北 宜昌 443002）

本文介绍了轴流式水轮机间隙空化与翼型空化的差别，并针对在轴流式水轮机模型试验中出现的特殊空化现象，通过CFD数值模拟技术进行分析，初步确定发生空化位置，采取一定的消除间隙空化措施，并在模型试验中进一步证实，该空化现象为间隙空化。

轴流式水轮机；间隙空化；CFD；翼型空化

1 前言

取措施，对改善轴流式水轮机空化以及提高机组的运行稳定性是大有益处的。

以水为介质的液流，一定温度下，流经局部地区。当压强低于某临界值时，水体内部原来含有的很小的气泡将迅速膨胀，在水中形成含有水蒸气或者其他气体的明显气泡，这种由于压强降低使水汽化的过程称为“空化”。在低压区空化的液体挟带着大量的空泡，形成了“两相流”运动，因而破坏了液体宏观上的连续性，水流挟带着的空泡在流经下游压强较高的区域时，空泡将膨大，最终发生溃灭。因此，空化现象包括空泡的发生、发展和溃灭，它是个非稳定过程。在水轮机中空化可引起过流部件的空蚀破坏，其后果主要是引起水轮机水力性能参数恶化、机械振动和噪音，进而影响水轮机的安全运行。

本文着重阐述了在轴流式水轮机中翼型空化和间隙空化的差别及其表现形式，通过CFD数值模拟技术进行模拟分析，初步确定发生空化的位置，并在模型中采取一定措施来消除空化，进而确定空化的类型，并通过模型试验进一步证实其空化类型。明确了轴流式水轮机翼型空化与间隙空化的差别，有针对性地采

2 空化现象及其特性

水轮机中空化现象按空化发生的部位将其分为翼型空化、间隙空化、空腔空化和局部空化。下面针对发生在轴流式水轮机中翼型空化和间隙空化的原因、表现形式，以及由此引起空蚀破坏作进一步的阐述。

轴流式水轮机的翼型空化主要指水流流经叶片时，局部压强降低所引起的空化，翼型空化与翼型的几何形状以及水轮机的运行工况密切相关。叶片翼型对空化的影响表现在：叶片翼型不同，其边壁上的空化数分布不同，空化数低的翼型，空化性能好。水轮机运行工况对空化的影响表现在：当水轮机工况偏离设计工况时，由于进口相对速度大小及方向发生变化，就会造成叶片边壁压强分布的偏离，改变了叶片上的空化数分布，进而影响空化发生的部位。

轴流式水轮机间隙空化是由于水流通过某些窄小通道或间隙时，引起局部流速升高、压强降低而产生的一种漩涡空化。在轴流式水轮机中，间隙空化造成的空蚀比较突出。特别是在转轮叶片外缘与转轮室，以及叶片内缘与转轮体的间隙附近，这种空化极易造成转轮室、叶片外缘、叶片法兰的下表面和转轮体局部空蚀破坏，虽然这种空化的破坏范围一般不大，但是破坏程度严重。

从概念上的比较不难发现：轴流式水轮机的翼型空化主要出现在叶片上，根据叶片翼型和运行工况的不同，可能出现在叶片进、出水边上，也可能出现在叶片的工作面或背面上。间隙空化除了出现在间隙空化附近的转轮室以及转轮体上，还有可能发生在叶片上。为了进一步从感官上区别不同的空蚀类别，清楚地区分叶片翼型空化和间隙空化，对国内安装有轴流式水轮机的电站检修时叶片的空蚀照片，进行了分类整理，以下是具有代表性的空蚀照片。图1为叶片进水边翼型空蚀及局部放大图；图2为叶片出水边翼型空蚀及局部放大图；图3为叶片工作面翼型空蚀及局部放大图；图4为叶片背面翼型及局部放大空蚀图；图5为转轮室间隙空蚀图；图6为转轮体间隙空蚀图；图7为叶片裙边间隙空蚀图。

图1 叶片进水边翼型空蚀及局部放大图

通常情况下，翼型空化和间隙空化的区别是很明显的。例如图7中叶片间隙空化表现在叶片裙边的空蚀上，经过长时间的机组运行，间隙空化后的裙边无论是厚度方向、宽度方向，还是高度方向都已经空蚀掉许多，靠近进水边处的裙边更严重，同时叶片翼型空化在叶片背面也表现得很明显。但是发生在叶片内缘根部与转轮体处的空化，究竟是翼型空化、还是间隙空化？有时其界定就很困难了，尤其是在真机中。一旦机组出现空蚀、振动和噪音等现象，如何透过现象看本质就是水力工程师必需面临的一个难题，只有认识到事物的本质，才能更好地解决问题。

图2 叶片出水边翼型空蚀及局部放大图

图3 叶片工作面翼型空蚀及局部放大图

图4 为叶片背面翼型空蚀及局部放大图

图5 转轮室间隙空蚀图

图6 转轮体间隙空蚀图

图7 叶片轮缘裙边间隙空蚀图

通过对转轮叶片CFD分析来确定空化位置，结合在模型叶片上加内裙边的方式进行处理，通过试验观测来确定空化类型。如果在叶片内缘根部处不再出现空化现象，就说明此空化是间隙空化引起的，如果叶片内缘根部依然出现空化，说明此空化是叶片翼型空化，将两种空化现象清楚地区分开来，有利于问题的解决。

3 CFD分析

3.1 计算模型

随着计算机性能及流体分析软件的不断发展，通过计算机进行大型流动计算分析已经越来越普遍了。CFX软件可以计算三维有势流动或粘性流动、可压流或不可压流，可以选择旋转坐标系，具有强大的前后处理功能，并为用户提供了源程序代码接口，用户可以根据实际需要建立自己的数学模型，更主要的功能是CFX软件可以进行非结构化网格计算。

在轴流式水轮机设计时，对于不同叶片转角，能够模拟叶片外缘和转轮室以及叶片内缘与转轮体之间的小间隙，并对实体进行非结构化网格划分和计算。

3.2 数模建立

数值计算采用单通道计算。其计算域为一个导叶和一个转轮叶片，计算域网格划分更多，能够更准确地模拟出导叶和叶片的形状，提高计算的准确性和可参考性，具体的单通道三维造型图如图8所示。

图8 单通道三维造型图

在水轮机通道的数值模拟计算中，不仅要考虑旋转部件，同时还要考虑静止部件。数值计算时，以质量流量为全通道计算的进口条件，以静态压力等于零为计算域出口条件，活动导叶及转轮室等壁面边界条件设置固定壁面，转轮体及叶片部分设置为旋转壁面。

3.3 数值计算

通过对轴流式水轮机额定水头最大出力工况点的计算，可以发现该转轮在叶片背面内缘和外缘处有低压区，可能产生空化，具体叶片背面压力等势图如图9所示。

图9 叶片背面压力等势图

4 模型试验

为了确定该叶片在计算工况是否发生空化及其空化类别，在模型试验中进行了无内裙边和有内裙边的对比试验，通过试验图片可以清楚地看出加裙边前后叶片上空化的变化。计算工况无内裙边模型空化图片如图10所示；加内裙边模型试验装置图片如图11所示；计算工况有内裙边模型空化图片如图12所示。

图10 计算工况无内裙边模型空化图片

通过试验发现，转轮叶片在计算工况确实发生了空化现象，其位置和数值计算的位置很吻合。在模型叶片内缘根部加内裙边，再次进行模型试验，试验证实在相同工况叶片内缘处不再出现空化现象，而在叶片外缘处依然出现空化现象，就说明叶片背面内缘处的空化不是叶片翼型空化，而是间隙空化。

图11 加内裙边模型试验装置图片

图12 计算工况有内裙边模型空化图片

5 结论

针对在轴流式水轮机叶片上出现的复杂空化现象，可以通过数值计算和模型试验相结合的方法，进行空化类别的区分，根据不同的空化类别，有针对性的解决空化问题。该方法将有利于实际电站空化类别的确定和解决转轮空蚀问题。

[1] 韩秀丽. 超轴流式水轮机间隙流动分析[J]. 大电机技术, 2009（3）: 44-47.

[2] 王正伟. 流体机械基础[M]. 北京：清华大学出版社, 2006.

[3] 王福军. 计算动力学分析[M]. 北京: 清华大学出版社, 2004.

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[6] 程良骏. 水轮机[M]. 北京：机械工业出版社,1981.

审稿人：吴新润

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年毕业于华中工学院水力机械专业，主要从事方向为水轮机设计及试验测试方面的研究，教授级高级工程师。