覃大清，韓秀麗，劉 斌，劉萬(wàn)江，魏顯著

(1. 水力發(fā)電設(shè)備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150040；2. 中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443002）

軸流式水輪機(jī)間隙空化與翼型空化差別淺談

覃大清1，韓秀麗1，劉 斌2，劉萬(wàn)江1，魏顯著1

(1. 水力發(fā)電設(shè)備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150040；2. 中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443002）

本文介紹了軸流式水輪機(jī)間隙空化與翼型空化的差別，并針對(duì)在軸流式水輪機(jī)模型試驗(yàn)中出現(xiàn)的特殊空化現(xiàn)象，通過(guò)CFD數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行分析，初步確定發(fā)生空化位置，采取一定的消除間隙空化措施，并在模型試驗(yàn)中進(jìn)一步證實(shí)，該空化現(xiàn)象為間隙空化。

軸流式水輪機(jī)；間隙空化；CFD；翼型空化

1 前言

取措施，對(duì)改善軸流式水輪機(jī)空化以及提高機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性是大有益處的。

以水為介質(zhì)的液流，一定溫度下，流經(jīng)局部地區(qū)。當(dāng)壓強(qiáng)低于某臨界值時(shí)，水體內(nèi)部原來(lái)含有的很小的氣泡將迅速膨脹，在水中形成含有水蒸氣或者其他氣體的明顯氣泡，這種由于壓強(qiáng)降低使水汽化的過(guò)程稱(chēng)為“空化”。在低壓區(qū)空化的液體挾帶著大量的空泡，形成了“兩相流”運(yùn)動(dòng)，因而破壞了液體宏觀(guān)上的連續(xù)性，水流挾帶著的空泡在流經(jīng)下游壓強(qiáng)較高的區(qū)域時(shí)，空泡將膨大，最終發(fā)生潰滅。因此，空化現(xiàn)象包括空泡的發(fā)生、發(fā)展和潰滅，它是個(gè)非穩(wěn)定過(guò)程。在水輪機(jī)中空化可引起過(guò)流部件的空蝕破壞，其后果主要是引起水輪機(jī)水力性能參數(shù)惡化、機(jī)械振動(dòng)和噪音，進(jìn)而影響水輪機(jī)的安全運(yùn)行。

本文著重闡述了在軸流式水輪機(jī)中翼型空化和間隙空化的差別及其表現(xiàn)形式，通過(guò)CFD數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行模擬分析，初步確定發(fā)生空化的位置，并在模型中采取一定措施來(lái)消除空化，進(jìn)而確定空化的類(lèi)型，并通過(guò)模型試驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)其空化類(lèi)型。明確了軸流式水輪機(jī)翼型空化與間隙空化的差別，有針對(duì)性地采

2 空化現(xiàn)象及其特性

水輪機(jī)中空化現(xiàn)象按空化發(fā)生的部位將其分為翼型空化、間隙空化、空腔空化和局部空化。下面針對(duì)發(fā)生在軸流式水輪機(jī)中翼型空化和間隙空化的原因、表現(xiàn)形式，以及由此引起空蝕破壞作進(jìn)一步的闡述。

軸流式水輪機(jī)的翼型空化主要指水流流經(jīng)葉片時(shí)，局部壓強(qiáng)降低所引起的空化，翼型空化與翼型的幾何形狀以及水輪機(jī)的運(yùn)行工況密切相關(guān)。葉片翼型對(duì)空化的影響表現(xiàn)在：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。水輪機(jī)運(yùn)行工況對(duì)空化的影響表現(xiàn)在：當(dāng)水輪機(jī)工況偏離設(shè)計(jì)工況時(shí)，由于進(jìn)口相對(duì)速度大小及方向發(fā)生變化，就會(huì)造成葉片邊壁壓強(qiáng)分布的偏離，改變了葉片上的空化數(shù)分布，進(jìn)而影響空化發(fā)生的部位。

軸流式水輪機(jī)間隙空化是由于水流通過(guò)某些窄小通道或間隙時(shí)，引起局部流速升高、壓強(qiáng)降低而產(chǎn)生的一種漩渦空化。在軸流式水輪機(jī)中，間隙空化造成的空蝕比較突出。特別是在轉(zhuǎn)輪葉片外緣與轉(zhuǎn)輪室，以及葉片內(nèi)緣與轉(zhuǎn)輪體的間隙附近，這種空化極易造成轉(zhuǎn)輪室、葉片外緣、葉片法蘭的下表面和轉(zhuǎn)輪體局部空蝕破壞，雖然這種空化的破壞范圍一般不大，但是破壞程度嚴(yán)重。

從概念上的比較不難發(fā)現(xiàn)：軸流式水輪機(jī)的翼型空化主要出現(xiàn)在葉片上，根據(jù)葉片翼型和運(yùn)行工況的不同，可能出現(xiàn)在葉片進(jìn)、出水邊上，也可能出現(xiàn)在葉片的工作面或背面上。間隙空化除了出現(xiàn)在間隙空化附近的轉(zhuǎn)輪室以及轉(zhuǎn)輪體上，還有可能發(fā)生在葉片上。為了進(jìn)一步從感官上區(qū)別不同的空蝕類(lèi)別，清楚地區(qū)分葉片翼型空化和間隙空化，對(duì)國(guó)內(nèi)安裝有軸流式水輪機(jī)的電站檢修時(shí)葉片的空蝕照片，進(jìn)行了分類(lèi)整理，以下是具有代表性的空蝕照片。圖1為葉片進(jìn)水邊翼型空蝕及局部放大圖；圖2為葉片出水邊翼型空蝕及局部放大圖；圖3為葉片工作面翼型空蝕及局部放大圖；圖4為葉片背面翼型及局部放大空蝕圖；圖5為轉(zhuǎn)輪室間隙空蝕圖；圖6為轉(zhuǎn)輪體間隙空蝕圖；圖7為葉片裙邊間隙空蝕圖。

圖1 葉片進(jìn)水邊翼型空蝕及局部放大圖

通常情況下，翼型空化和間隙空化的區(qū)別是很明顯的。例如圖7中葉片間隙空化表現(xiàn)在葉片裙邊的空蝕上，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的機(jī)組運(yùn)行，間隙空化后的裙邊無(wú)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(jìn)水邊處的裙邊更嚴(yán)重，同時(shí)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(zhuǎn)輪體處的空化，究竟是翼型空化、還是間隙空化？有時(shí)其界定就很困難了，尤其是在真機(jī)中。一旦機(jī)組出現(xiàn)空蝕、振動(dòng)和噪音等現(xiàn)象，如何透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)就是水力工程師必需面臨的一個(gè)難題，只有認(rèn)識(shí)到事物的本質(zhì)，才能更好地解決問(wèn)題。

圖2 葉片出水邊翼型空蝕及局部放大圖

圖3 葉片工作面翼型空蝕及局部放大圖

圖4 為葉片背面翼型空蝕及局部放大圖

圖5 轉(zhuǎn)輪室間隙空蝕圖

圖6 轉(zhuǎn)輪體間隙空蝕圖

圖7 葉片輪緣裙邊間隙空蝕圖

通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片CFD分析來(lái)確定空化位置，結(jié)合在模型葉片上加內(nèi)裙邊的方式進(jìn)行處理，通過(guò)試驗(yàn)觀(guān)測(cè)來(lái)確定空化類(lèi)型。如果在葉片內(nèi)緣根部處不再出現(xiàn)空化現(xiàn)象，就說(shuō)明此空化是間隙空化引起的，如果葉片內(nèi)緣根部依然出現(xiàn)空化，說(shuō)明此空化是葉片翼型空化，將兩種空化現(xiàn)象清楚地區(qū)分開(kāi)來(lái)，有利于問(wèn)題的解決。

3 CFD分析

3.1 計(jì)算模型

隨著計(jì)算機(jī)性能及流體分析軟件的不斷發(fā)展，通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行大型流動(dòng)計(jì)算分析已經(jīng)越來(lái)越普遍了。CFX軟件可以計(jì)算三維有勢(shì)流動(dòng)或粘性流動(dòng)、可壓流或不可壓流，可以選擇旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，具有強(qiáng)大的前后處理功能，并為用戶(hù)提供了源程序代碼接口，用戶(hù)可以根據(jù)實(shí)際需要建立自己的數(shù)學(xué)模型，更主要的功能是CFX軟件可以進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格計(jì)算。

在軸流式水輪機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于不同葉片轉(zhuǎn)角，能夠模擬葉片外緣和轉(zhuǎn)輪室以及葉片內(nèi)緣與轉(zhuǎn)輪體之間的小間隙，并對(duì)實(shí)體進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分和計(jì)算。

3.2 數(shù)模建立

數(shù)值計(jì)算采用單通道計(jì)算。其計(jì)算域?yàn)橐粋€(gè)導(dǎo)葉和一個(gè)轉(zhuǎn)輪葉片，計(jì)算域網(wǎng)格劃分更多，能夠更準(zhǔn)確地模擬出導(dǎo)葉和葉片的形狀，提高計(jì)算的準(zhǔn)確性和可參考性，具體的單通道三維造型圖如圖8所示。

圖8 單通道三維造型圖

在水輪機(jī)通道的數(shù)值模擬計(jì)算中，不僅要考慮旋轉(zhuǎn)部件，同時(shí)還要考慮靜止部件。數(shù)值計(jì)算時(shí)，以質(zhì)量流量為全通道計(jì)算的進(jìn)口條件，以靜態(tài)壓力等于零為計(jì)算域出口條件，活動(dòng)導(dǎo)葉及轉(zhuǎn)輪室等壁面邊界條件設(shè)置固定壁面，轉(zhuǎn)輪體及葉片部分設(shè)置為旋轉(zhuǎn)壁面。

3.3 數(shù)值計(jì)算

通過(guò)對(duì)軸流式水輪機(jī)額定水頭最大出力工況點(diǎn)的計(jì)算，可以發(fā)現(xiàn)該轉(zhuǎn)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(shì)圖如圖9所示。

圖9 葉片背面壓力等勢(shì)圖

4 模型試驗(yàn)

為了確定該葉片在計(jì)算工況是否發(fā)生空化及其空化類(lèi)別，在模型試驗(yàn)中進(jìn)行了無(wú)內(nèi)裙邊和有內(nèi)裙邊的對(duì)比試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)圖片可以清楚地看出加裙邊前后葉片上空化的變化。計(jì)算工況無(wú)內(nèi)裙邊模型空化圖片如圖10所示；加內(nèi)裙邊模型試驗(yàn)裝置圖片如圖11所示；計(jì)算工況有內(nèi)裙邊模型空化圖片如圖12所示。

圖10 計(jì)算工況無(wú)內(nèi)裙邊模型空化圖片

通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)輪葉片在計(jì)算工況確實(shí)發(fā)生了空化現(xiàn)象，其位置和數(shù)值計(jì)算的位置很吻合。在模型葉片內(nèi)緣根部加內(nèi)裙邊，再次進(jìn)行模型試驗(yàn)，試驗(yàn)證實(shí)在相同工況葉片內(nèi)緣處不再出現(xiàn)空化現(xiàn)象，而在葉片外緣處依然出現(xiàn)空化現(xiàn)象，就說(shuō)明葉片背面內(nèi)緣處的空化不是葉片翼型空化，而是間隙空化。

圖11 加內(nèi)裙邊模型試驗(yàn)裝置圖片

圖12 計(jì)算工況有內(nèi)裙邊模型空化圖片

5 結(jié)論

針對(duì)在軸流式水輪機(jī)葉片上出現(xiàn)的復(fù)雜空化現(xiàn)象，可以通過(guò)數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法，進(jìn)行空化類(lèi)別的區(qū)分，根據(jù)不同的空化類(lèi)別，有針對(duì)性的解決空化問(wèn)題。該方法將有利于實(shí)際電站空化類(lèi)別的確定和解決轉(zhuǎn)輪空蝕問(wèn)題。

[1] 韓秀麗. 超軸流式水輪機(jī)間隙流動(dòng)分析[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2009（3）: 44-47.

[2] 王正偉. 流體機(jī)械基礎(chǔ)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社, 2006.

[3] 王福軍. 計(jì)算動(dòng)力學(xué)分析[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2004.

[4] 吳玉林. 流體機(jī)械及工程[M]. 北京: 中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社, 2003.

[5] 聶榮升. 水輪機(jī)中的空化和空蝕[M]. 北京: 水力電力出版社, 1985.

[6] 程良駿. 水輪機(jī)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1981.

審稿人：吳新潤(rùn)

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年畢業(yè)于華中工學(xué)院水力機(jī)械專(zhuān)業(yè)，主要從事方向?yàn)樗啓C(jī)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)測(cè)試方面的研究，教授級(jí)高級(jí)工程師。