水輪機(jī)空化系數(shù)的動(dòng)態(tài)測(cè)定_圖文

1、第25卷第1期V o l .25,N o .1西華大學(xué)學(xué)報(bào)自然科學(xué)版J o u r n a l o f X i h u aU n i v e r s i t y N a t u r a l S c i e n c e 2006年1月=J a n .2006文章編號(hào):1673-159X (200601-0050-02收稿日期:2005-05-24基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào):90410013作者簡(jiǎn)介:盧池(1982-,男,河南省桐柏縣人,西華大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院碩士研究生,研究方向:流體機(jī)械流場(chǎng)數(shù)值模擬。水輪機(jī)空化系數(shù)的動(dòng)態(tài)測(cè)定盧池1,楊昌明2,陳次昌3,熊茂濤1(1.西華大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)

2、院;2.西華大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院,四川成都610039;3.西南石油學(xué)院,四川成都610500摘要:水輪機(jī)葉片上的空化空蝕破壞造成水電站的頻繁檢修,利用計(jì)算流體力學(xué)軟件F l u e n t 對(duì)H L 240型水輪機(jī)的設(shè)計(jì)工況進(jìn)行數(shù)值模擬,模擬結(jié)果求出的空化系數(shù)與模型試驗(yàn)非常吻合。在一定的時(shí)段對(duì)機(jī)組的運(yùn)行工況進(jìn)行數(shù)值模擬,利用模擬結(jié)果可得到該時(shí)段葉片各個(gè)區(qū)域上的空化系數(shù),從而判斷該區(qū)域是否發(fā)生空化空蝕。把不同時(shí)段的結(jié)果進(jìn)行匯總,則可以得到整個(gè)葉片上發(fā)生空化空蝕的總區(qū)域和各區(qū)域發(fā)生空蝕破壞的程度,從而對(duì)水輪機(jī)何時(shí)進(jìn)行檢修提供理論指導(dǎo),使水電站經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到最大化。關(guān)鍵詞:水輪機(jī);空化;數(shù)值模擬

3、;空化系數(shù)中圖分類號(hào):T K 730.3+23文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A空蝕是水力機(jī)械常見的破壞方式,我國河流中泥沙含量較高,水中含有泥沙時(shí),空蝕常常與泥沙磨損聯(lián)合作用,導(dǎo)致水輪機(jī)過流部件,特別是轉(zhuǎn)輪葉片表面快速損壞,不僅會(huì)降低水輪機(jī)運(yùn)行效率,嚴(yán)重時(shí)甚至危及部件的結(jié)構(gòu)安全。如新安江水電站4號(hào)水輪機(jī)在檢查時(shí),葉片空蝕磨損破壞面積達(dá)41321c m 2,占轉(zhuǎn)輪葉片總面積的1/3,破壞最深處達(dá)3033m m ,該電站另一臺(tái)水輪機(jī)14個(gè)葉片中有7個(gè)因空蝕磨損破壞而穿孔。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),我國1/3以上的水電裝機(jī)容量(包括大、中、小水電站的水輪機(jī)過流部件都遭受到不同程度的空蝕、磨損損壞,以致水輪機(jī)出力不足,壽命縮短,效

4、率下降,運(yùn)行可靠性差,每年因發(fā)電損失和部件維修、更換的費(fèi)用高達(dá)幾十億元1。1空化系數(shù)1.1水輪機(jī)的空化系數(shù)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪中壓力最低點(diǎn)出現(xiàn)在葉片背面靠近出口的地方,設(shè)壓力最低點(diǎn)為M 點(diǎn),2點(diǎn)為葉片出口處。要保證水輪機(jī)不發(fā)生空化,M 點(diǎn)的壓力P M 必須大于該水溫下的汽化壓力P v a 。P M 可由下式求得:P M p g E P A p g -(Z 2-Z d -(w 2M -w 222g +d v 222g (1式中,P M 為M 點(diǎn)的壓力;P A 為大氣壓力;Z 2為2點(diǎn)位置高程;Z d 為尾水管下游液面位置高程;w M 為點(diǎn)M 相對(duì)速度;w 2為2點(diǎn)相對(duì)速度;d 為尾水管恢復(fù)系數(shù);v 2為2

5、點(diǎn)的絕對(duì)速度。令H s E Z 2-Z d ;H d E w 2M -w 222g +d v 222g 式中,H s 為靜力真空(也稱為吸出高度;H d 為動(dòng)力真空。把其代入(1式得:P M pg E P Ap g -H s -H d(2可見水輪機(jī)工作時(shí)M 點(diǎn)的大氣壓為真空,其真空值由靜力真空和動(dòng)力真空兩部分組成。靜力真空值與水輪機(jī)的安裝高程和下游尾水位有關(guān),與水輪機(jī)本身的性能無關(guān);而動(dòng)力真空與水輪機(jī)本身的性能和運(yùn)行工況有關(guān)。因此,通常采用動(dòng)力真空的相對(duì)值,即空化系數(shù)來表示水輪機(jī)的空化性能?？栈禂?shù)的計(jì)算公式為:E H d H E w 2M -w 222g H +d v 222gH (3式中,

6、為水輪機(jī)空化系數(shù);H 為水輪機(jī)工作水頭。1.2水輪機(jī)裝置的空化系數(shù)水輪機(jī)的空化系數(shù)為內(nèi)空化指標(biāo),而水輪機(jī)裝置的空化系數(shù)p則是外空化指標(biāo)。其表達(dá)式為:p E P A p g -H s -P v ap g H(4水輪機(jī)不產(chǎn)生空化的條件為:p。由于水輪機(jī)的空化系數(shù)是通過進(jìn)行模型試驗(yàn)確定的,而我們需要判斷的是原型機(jī)是否發(fā)生空化,考慮到模型與真機(jī)之間的尺寸不同、制造精度不同等因素的影響,應(yīng)取安全系數(shù)"E1.11.4,不同的機(jī)組應(yīng)根據(jù)自己的實(shí)際情況選取該取值2。此時(shí),水輪機(jī)不產(chǎn)生空化的條件應(yīng)為:p >K 2水輪機(jī)空蝕的數(shù)值模擬筆者利用計(jì)算流體力學(xué)軟件F l u e n t 對(duì)H L 240

7、型水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪如表1所設(shè)計(jì)工況下,進(jìn)行了空化流的數(shù)值模擬,為了更接近實(shí)際情況在對(duì)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行數(shù)值模擬的時(shí)候加入了活動(dòng)導(dǎo)葉。利用G a m b i t 對(duì)活動(dòng)導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪進(jìn)行網(wǎng)格劃分,結(jié)果如圖1、圖2。圖1水輪機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉的網(wǎng)格劃分圖2水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的網(wǎng)格劃分表1H L 240型水輪機(jī)的設(shè)計(jì)工況參數(shù)名稱水頭流量功率轉(zhuǎn)速吸出高度參數(shù)值38m135m 2/s 45MW 107r /m i n -1.3m在利用F l u e n t 進(jìn)行求解時(shí)筆者采用的是非耦合求解器,使用的多相流模型為帶有空化的多相流模型,湍流模型為具有非平衡壁面函數(shù)的k -E -k p兩相湍流模型。經(jīng)過迭代計(jì)算后,得到葉片正面和背面的壓力分布

8、圖如圖3。圖3水輪機(jī)葉片的壓力分布圖各個(gè)區(qū)域的壓力值(相對(duì)壓力見表2。表2葉片各個(gè)區(qū)域的壓力值區(qū)域代碼123456789101112133空化系數(shù)的測(cè)定由(2式可以得到:H d E P A #g -P M#g -H s(5由式(5可以計(jì)算出水輪機(jī)在其設(shè)計(jì)工況下的空化系數(shù),其中P A E 101325P a ;葉片上壓力最低點(diǎn)的壓力P M 應(yīng)為葉片上1區(qū)域的壓力,即P M E (101325-59100P a ;靜力真空即吸出高度由表1可知為H s E -1.3m 。則可求出其動(dòng)力真空H d E 7.33m ,把其代入(3式得到H L 240型水輪機(jī)在其設(shè)計(jì)工況下的空化系數(shù)E 0.193。H L

9、 240型水輪機(jī)在其設(shè)計(jì)工況下通過模型試驗(yàn)得到的空化系數(shù)為0.2,此值與通過F l u e n t 數(shù)值模擬而得到的最低點(diǎn)壓力,從而計(jì)算出來的水輪機(jī)的空化系數(shù)非常接近。這說明利用F l u e n t 模擬的結(jié)果計(jì)算出來的空化系數(shù)是可信的。判斷水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪是否發(fā)生空化空蝕,即把p 的值與K 進(jìn)行比較,筆者認(rèn)為通過這種方法僅僅只能籠統(tǒng)的定性地說明轉(zhuǎn)輪在該工況是否發(fā)生了空化空蝕,要想真正掌握葉片發(fā)生空化空蝕的情況應(yīng)通過以下措施:每隔一定的時(shí)段對(duì)機(jī)組的運(yùn)行工況進(jìn)行測(cè)量,(下轉(zhuǎn)62頁15第1期盧池等: 水輪機(jī)空化系數(shù)的動(dòng)態(tài)測(cè)定表5回歸系數(shù)及顯著性檢驗(yàn)表標(biāo)準(zhǔn)化前的相關(guān)系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化相關(guān)系數(shù)偏回歸系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)誤差多

10、元線性偏回歸系數(shù)回歸系數(shù)的T 檢驗(yàn)T 的顯著性概率偏回歸系數(shù)的置信區(qū)間0.95下限上限常數(shù)項(xiàng)1.6711.4821.1280.269-1.3694.7120.0300.0030.91410.7410.0000.0250.036由以上兩次統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以得出:常數(shù)項(xiàng)的T 的顯著性概率為0.269>0.05,表示常數(shù)項(xiàng)與0沒有顯著性差異,表明常數(shù)項(xiàng)不應(yīng)出現(xiàn)在方程中。3.3寫出回歸方程這里需要指出的是,有常數(shù)項(xiàng)與無常數(shù)項(xiàng)是兩種不同的數(shù)學(xué)模型,其決定系數(shù)的值不能作簡(jiǎn)單的比較。究竟哪個(gè)回歸方程更合適,必須把它們放到實(shí)際中檢驗(yàn)才能得出正確的結(jié)論。實(shí)際工作中是否保留常數(shù)項(xiàng),由醫(yī)學(xué)原理來決定3。在此采用不帶

11、常數(shù)項(xiàng)的方程來研究,故多元線性回歸方程為:Z E -0.202X +0.914Y (置信系數(shù)取a E 0.05其中,Z 表示兒童每100毫升血中的血紅蛋白的含量,單位為g ;X 表示兒童每100毫升血中鈣元素的含量,單位為u g;Y 表示兒童每100毫升血中鐵元素的含量,單位為u g。4結(jié)論應(yīng)用統(tǒng)計(jì)軟件S P S S 對(duì)兒童血液中血紅蛋白含量和鈣元素、鐵元素、銅元素含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明,鐵元素含量對(duì)兒童血紅蛋白濃度存在顯著性差異,存在正相關(guān)性。也就是說,當(dāng)人體內(nèi)血紅蛋白濃度偏低時(shí),需要補(bǔ)充鐵元素;鈣元素含量對(duì)兒童血紅蛋白濃度存在顯著性差異,存在負(fù)相關(guān)性,即當(dāng)人體內(nèi)血紅蛋白濃度偏低時(shí)攝入過

12、多鈣元素,會(huì)造成血紅蛋白濃度更低;而銅元素不在方程中出現(xiàn),故銅元素含量對(duì)兒童血紅蛋白濃度不存在顯著性差異,所以,當(dāng)人體內(nèi)血紅蛋白濃度偏低時(shí),與銅元素的攝入量沒有明顯的關(guān)系。參考文獻(xiàn)1孔祥和,尹洪臣等.微量元素與小兒疾病M .北京:人民衛(wèi)生出版社,1989.2楊虹,陸崇義,羅荔,等.廣西運(yùn)動(dòng)員貧血和營養(yǎng)狀況的研究J ,營養(yǎng)學(xué)報(bào),1991,3(3.3馬斌榮.S P S SF O R W I N D O W S 在醫(yī)學(xué)統(tǒng)計(jì)中的應(yīng)用M .北京:科學(xué)出版社,2003.4G o ye rR A .T o x i c a n de s s e n t i a lm e t a l i n t e r a c

13、 t i o n s J .A n n u R e vN u t r,1997,17:37-50.5馬慶國.管理統(tǒng)計(jì)M .北京:科學(xué)出版社,2003.(責(zé)任編輯:周劍華=(上接51頁根據(jù)實(shí)際情況的不同,可以在機(jī)組工況發(fā)生突變時(shí)加測(cè)一組數(shù)據(jù)。以此作為邊界條件利用F l u e n t 對(duì)該時(shí)段水輪機(jī)的運(yùn)行情況進(jìn)行模擬,便可得到在該時(shí)段轉(zhuǎn)輪葉片各個(gè)區(qū)域上的壓力值P 1,P 2,P N ,由這些壓力值求出該時(shí)段葉片上各個(gè)區(qū)域的空化系數(shù)1,2,N ,用該時(shí)段的裝置空化系數(shù)p 和每個(gè)區(qū)域的空化系數(shù)來做比,看其比值與安全系數(shù)K 的關(guān)系,進(jìn)而可判斷各個(gè)區(qū)域在該時(shí)段是否發(fā)生空化。把葉片上各個(gè)區(qū)域在各個(gè)模擬的時(shí)

14、段發(fā)生空化空蝕的情況進(jìn)行匯總,從而可以得到葉片上發(fā)生空化空蝕的總區(qū)域,并且可以估算出葉片各個(gè)區(qū)域發(fā)生空化空蝕的程度。這樣可以對(duì)水輪機(jī)何時(shí)進(jìn)行檢修提供理論依據(jù),從而使水電站的經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到最大化。4結(jié)論(1通過對(duì)H L 240型水輪機(jī)設(shè)計(jì)工況的模擬,由模擬結(jié)果求出的水輪機(jī)空化系數(shù)與通過模型試驗(yàn)所得到的空化系數(shù)非常吻合,說明利用這種方法算出的水輪機(jī)空化系數(shù)是可信的、準(zhǔn)確的。(2每隔一定的時(shí)段對(duì)機(jī)組的運(yùn)行工況進(jìn)行數(shù)值模擬,利用模擬的結(jié)果可以判斷水輪機(jī)葉片各個(gè)區(qū)域在該時(shí)段是否發(fā)生空化空蝕,把各個(gè)時(shí)段各個(gè)區(qū)域發(fā)生空化空蝕的情況進(jìn)行匯總,則可以得到葉片上發(fā)生空化空蝕的總區(qū)域,并且可以估算出葉片各個(gè)區(qū)域發(fā)生空化空蝕的程度。從而對(duì)水輪機(jī)何時(shí)進(jìn)行檢修提供理論指導(dǎo),使水電站的經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到最大化。參考文獻(xiàn)1段生孝.我國水輪機(jī)空蝕磨損破壞狀況與對(duì)策J .大電機(jī)技術(shù),2001,(6:56-64.2史振聲.水輪機(jī)M .北