轴流式水轮机叶片外缘间隙大小对间隙空化的影响数值研究

付国龙

哈尔滨大电机研究所 水力发电设备国家重点试验室 黑龙江 哈尔滨 150040

1 引言

轴、贯流式水轮机叶片外缘与转轮室之间存在很小的间隙,其大小一般为叶轮直径的0.05%。由于液流通过狭小隙缝时流速增加,压力会降低。所以在叶片外缘与转轮室之间的间隙附近容易发生间隙空化,引起转轮室以及叶片的空蚀破坏,导致水轮机性能参数恶化、机械振动和噪音,进而影响水轮机安全运行。为了改善轴、贯流式水轮机叶片外缘与转轮室之间发生的间隙空化,国内外公司普遍采用的方法为在叶片外缘背面增设裙边。1999年,瑞士工学院的KIMON ROUSSOPOULOS等人通过粒子图像测速仪(PIV)对裙边附近流动情况和其对空化的影响进行了试验研究。2007年,罗马尼亚的Constantin Viorel CAMPIAN等人对裙边对空化影响进行了数值模拟和试验研究。安德里茨和GE水电也分别对裙边对空化的影响进行了模拟和试验研究。2012年,捷克Litostroj电力公司的L Motycak等人,在已有真机业绩并15000小时运行的情况下,考虑裙边对空化的影响进行了进一步的分析。

本文在借鉴以上研究的基础上,采用汽液两流体多相流模型,充分考虑汽液两相间的相互作用,以CFX软件为平台建立了水轮机全通道数值模拟计算模型,基于数值计算结果,详细分析了不同间隙大小条件下,转轮叶片外缘两相流场的特征以及气泡分布规律。

2 数值计算

2.1 计算模型及边界条件 本文针对某5叶片轴流式水轮机进行研究,建立了模型水轮机全流道三维模型。

数值计算中水轮机的计算域包括蜗壳、导叶区、转轮和尾水管四个部分,每个部分独立进行网格划分,之后通过内部交界面进行连接,计算域及边界条件设置,计算域网格单元总数7162984。蜗壳进口采用压力进口条件,尾水管出口采用压力出口条件,动域与静域间的交界面(Interface)使用非一致网格连接,采用stage界面传递模型进行模拟,其它边界如蜗壳、转轮、尾水管均采用无滑移壁面边界条件。

2.2 等间隙密封区间 轴流式水轮机转轮室为半球室,当叶片转角增大时,叶片外缘进水边侧和出水边侧会探出球室,探出球室的部分与转轮室不再是平行的,间隙会突然增大。叶片在+5度转角下,等间隙值密封区间为25%～80%；

3 计算结果与讨论

计算选择叶片转角为+5度,等间隙值密封区间为25%～80%。叶片外缘与转轮室之间等间隙值密封区间的间隙大小分别0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm。比较叶片与转轮室的等间隙值密封区间的间隙大小不同对间隙空化的影响。计算工况如表1所示。

表1 计算工况

在计算结果中,做气体体积百分比为1%的等值曲面,预测空化气泡的发生位置及尺寸。计算结果如图1所示。

图1 n11=132.9按先后顺序间隙分别为0.2、0.3、0.4、0.5

3 结论

本文在汽液两流体模型的框架内,应用计算流体力学软件CFX建立了水轮机叶片间隙空化数值计算模型。分析了轴流式水轮机叶片外缘间隙大小对间隙空化的影响,得到主要结论如下：

3.1 相同单位转速下,随着轴流式水轮机叶片外缘与转轮室间隙在一定范围内逐渐增大,间隙空化逐渐加剧,效率降低。

3.2 相同间隙下,随着单位转速增高,轴流式水轮机叶片外缘与转轮室之间,间隙空化逐渐减弱。