軸流式水輪機空化現(xiàn)象的cfd模擬分析

軸流式水輪機空化現(xiàn)象的cfd模擬分析

以水為中心的液體流經(jīng)局部區(qū)域，當壓力小于特定臨界值時，水體中的原始氣核迅速膨脹并發(fā)展為氣泡，在壓力上升的區(qū)域破裂。這個過程被稱為“空虛”，包括氣泡的積累、流動、破裂和開裂過程。這是一個非穩(wěn)定的過程?？栈梢鹚啓C過流部件的空蝕破壞,其后果主要是引起水輪機水力性能參數(shù)惡化、機械振動和噪音,進而影響水輪機的安全運行。本文著重闡述了在軸流轉槳式水輪機中翼型空化和間隙空化的差別及其區(qū)分方法,即通過CFD數(shù)值模擬技術進行模擬分析,初步確定發(fā)生空化的位置,并在模型試驗中采取一定的方法來確定空化的類型,并有針對性地采取模型優(yōu)化措施,這對改善軸流轉槳式水輪機空化、提高機組的穩(wěn)定性有重要的意義。1軸流式水輪機間隙空化的分布和特征按水輪機中空化現(xiàn)象發(fā)生的原因將其分為翼型空化、間隙空化、空腔空化和局部空化。下面針對發(fā)生在軸流轉槳式水輪機中翼型空化和間隙空化的原因、表現(xiàn)形式,以及由此引起的空蝕破壞進行進一步的闡述。軸流式水輪機的翼型空化主要由水流流經(jīng)葉片時,局部壓強降低所引起的,翼型空化與葉片的幾何形狀以及水輪機的運行工況密切相關。葉片翼型不同,其邊壁上的空化數(shù)分布不同,空化數(shù)低的翼型,空化性能好。此外,當水輪機工況偏離設計工況時,由于進口相對速度大小及方向發(fā)生變化,就會造成葉片邊壁壓強分布的偏離,改變?nèi)~片上的空化數(shù)分布,進而影響空化發(fā)生的程度和部位。翼型空化是衡量轉輪優(yōu)劣的重要標尺。軸流轉槳式水輪機間隙空化是由于水流通過某些狹窄通道或間隙時,引起局部流速升高、壓強降低而產(chǎn)生的一種漩渦空化。在軸流轉槳式水輪機中,間隙空化造成的空蝕比較突出,易在轉輪葉片外緣與轉輪室及葉片內(nèi)緣與轉輪體的間隙附近發(fā)生,這種空化極易造成轉輪室、葉片外緣、葉片法蘭的下表面和轉輪體局部空蝕破壞,雖然這種空化的破壞范圍一般不大,但破壞程度較為嚴重。軸流式水輪機翼型空化主要出現(xiàn)在葉片上,根據(jù)葉片翼型和運行工況的不同,可能出現(xiàn)在葉片進、出水邊上,也可能出現(xiàn)在葉片的工作面或背面上。間隙空化主要出現(xiàn)在發(fā)生間隙空化附近的轉輪室、轉輪體和葉片上。為進一步區(qū)別不同的空蝕類別,清楚地區(qū)分葉片翼型空化和間隙空化,對軸流轉槳式水輪機葉片的照片進行了分類整理,代表性的空蝕照片如圖1～圖7。通常情況下,翼型空化和間隙空化較容易區(qū)分。例如圖7,葉片間隙空化表現(xiàn)在葉片裙邊的空蝕上,經(jīng)過長時間的機組運行,間隙空化后的裙邊無論是厚度方向、寬度方向,還是高度方向都已經(jīng)空蝕掉許多,靠近進水邊處的裙邊更嚴重,同時葉片翼型空化在葉片背面也表現(xiàn)得很明顯。但是發(fā)生在葉片內(nèi)緣根部與轉輪體處的空化很難判斷是因翼型空化還是因間隙空化導致的。為準確判斷葉片內(nèi)緣根部與轉輪體結合處的空化類型,可首先通過對轉輪葉片進行CFD分析來初步確定空化的位置,然后結合模型試驗的方式來觀察判定。在葉片內(nèi)緣處增加一個內(nèi)裙邊以消除葉片與輪轂體之間的間隙,若在試驗中觀察到葉片內(nèi)緣根部處不再出現(xiàn)空化現(xiàn)象,就說明此處原空化為間隙空化;相反,如果葉片內(nèi)緣根部仍然出現(xiàn)空化,說明此空化是翼型空化,通過這種方法可以將兩種空化現(xiàn)象進行區(qū)分,有利于有針對性的解決問題。2cfd分析2.1前后處理功能隨著計算機性能及流體分析軟件的不斷發(fā)展,通過計算機進行大型流動計算分析已經(jīng)越來越普遍了。CFX軟件可以計算三維有勢流動或粘性流動、可壓流或不可壓流,可以選擇旋轉坐標系,具有強大的前后處理功能,并為用戶提供了源程序代碼接口,用戶可以根據(jù)實際需要建立自己的數(shù)學模型,并進行非結構化網(wǎng)格計算。數(shù)值計算采用單通道計算。其計算域為一個導葉和一個轉輪葉片,計算域網(wǎng)格劃分更多,能夠更準確地模擬出導葉和葉片的形狀,提高計算的準確性和可參考性,具體的單通道三維造型見圖8。在水輪機通道的數(shù)值模擬計算中,不僅要考慮旋轉部件,同時還要考慮靜止部件。數(shù)值計算時,以質量流量為全通道計算的進口條件,以靜態(tài)壓力0Pa為計算域出口條件,活動導葉及轉輪室等壁面邊界條件設置固定壁面,轉輪體及葉片部分設置為旋轉壁面。2.2工況點的計算通過對軸流式水輪機額定水頭最大出力工況點的計算,可以發(fā)現(xiàn)在該轉輪在葉片背面內(nèi)緣和外緣處有低壓區(qū),可能產(chǎn)生空化,具體葉片背面壓力等勢圖見圖9。3內(nèi)進入空化現(xiàn)象的模擬檢測為了確定該葉片在計算工況是否發(fā)生空化及其空化類別,在模型試驗中進行了無內(nèi)裙邊和有內(nèi)裙邊的對比試驗,通過試驗圖片可以清楚地看出加裙邊前后葉片上空化的變化。計算工況無內(nèi)裙邊模型空化圖片見圖10,計算工況有內(nèi)裙邊模型空化圖見圖11。通過試驗發(fā)現(xiàn),轉輪葉片在計算工況發(fā)生了空化現(xiàn)象,其位置和數(shù)值計算的位置較為吻合。因葉片內(nèi)緣根部處有一低壓區(qū),且該部位又離葉片與輪轂間的轉角間隙部位較近,為此很難判斷該空化現(xiàn)象屬于翼型空化還是間隙空化。為此,在模型葉片內(nèi)緣根部加內(nèi)裙邊基本消除葉片內(nèi)緣與轉輪輪轂體之間的間隙后,再次進行模型試驗,葉片內(nèi)緣處的空化現(xiàn)象消失,而在葉片外緣處依然出現(xiàn)空化現(xiàn)象。這說明在此工況下,葉片背面內(nèi)緣處發(fā)生的空化不是翼型空化,而是間隙空化,從而有效地對該工況下葉片內(nèi)緣的空化類型進行了區(qū)分。4空化類別的區(qū)分在軸流轉槳式水輪機葉片內(nèi)緣和輪轂體上出現(xiàn)的空化現(xiàn)象,可以通過數(shù)值計算和模