譚倫慧 李彥瑞

（1.茂名市粵能電力股份有限公司，廣東 茂名525000；2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司茂名供電局，廣東 茂名525000）

0 引言

徑向?qū)畽C構(gòu)導(dǎo)葉損壞的主要現(xiàn)象是：導(dǎo)葉頭部和尾端局部穿透或缺角，背面存在順流方向的魚鱗坑，上部抗磨板有均勻磨低現(xiàn)象，下部抗磨板表面則密布魚鱗坑和溝槽[1]。導(dǎo)葉損壞如此嚴(yán)重主要是由于：導(dǎo)葉與頂蓋底環(huán)之前存在端面間隙，機組在運行中易發(fā)生間隙空蝕。

因此，對徑向?qū)畽C構(gòu)導(dǎo)葉的端面間隙進(jìn)行分析研究，得到合理的端面間隙高度，對于解決導(dǎo)水機構(gòu)過流表面的空蝕破壞問題具有重要意義。

1 模型建立

以HL180/D06A為例，對其導(dǎo)水機構(gòu)端面間隙進(jìn)行數(shù)值模擬。其導(dǎo)葉平面葉型圖，如圖1。

由于機組在運行過程中導(dǎo)葉及其周邊的水體是延主軸周期對稱的，為簡化運算，本文忽略局部差異，對導(dǎo)水機構(gòu)導(dǎo)葉進(jìn)行整體建模后，將其整體水體模型進(jìn)行16均分，得到單流道水體模型，如圖2。

圖1 導(dǎo)葉平面葉型圖

圖2 單流道水體模型

2 導(dǎo)葉端面間隙數(shù)值分析

2.1 工況選擇

由于導(dǎo)葉正面和背面有壓差，故端面間隙內(nèi)會產(chǎn)生間隙流動，間隙流動容易在局部形成低壓區(qū)，此低壓區(qū)是間隙可能發(fā)生空蝕的核心區(qū)。由文獻(xiàn)[2]知端面間隙選擇范圍，本文將對最優(yōu)工況下端面間隙高度分別為0.6mm，0.8mm，1.0mm，1.2mm，1.4mm的模型進(jìn)行數(shù)值模擬計算；大流量工況下端面間隙高度分別為0.6mm，1.0mm，1.4mm的模型進(jìn)行數(shù)值模擬計算。

2.2 不同間隙下導(dǎo)葉端面壓力分布

為了探討導(dǎo)葉端面易發(fā)生空蝕的部位，放大顯示最優(yōu)工況、大流量工況各間隙下這一區(qū)域的壓力分布，更好地反映出間隙流動對端面的影響。如圖3和圖4。

圖3 最優(yōu)工況下導(dǎo)葉端面壓力分布

圖4 大流量工況下導(dǎo)葉端面壓力分布

由圖3和圖4的壓力分布可得到以下結(jié)論：

（1）導(dǎo)葉端面有兩個低壓區(qū)，一個發(fā)生在導(dǎo)葉軸頸兩側(cè)，另一個發(fā)生在導(dǎo)葉進(jìn)口邊緣附近，這就是導(dǎo)葉端面易發(fā)生空蝕的區(qū)域。

（2）隨著端面間隙增大，端面軸頸處低壓區(qū)面積增大，低壓區(qū)中心的壓力值更低，但間隙增大到一定程度時，低壓區(qū)面積變化不大。

（3）隨著端面間隙增大，在最優(yōu)工況下端面進(jìn)口邊緣附近的低壓區(qū)面積和低壓區(qū)中心的壓力值變化不大，但在大流量工況時低壓區(qū)面積變大。

（4）大流量工況下端面軸頸處和導(dǎo)葉進(jìn)口邊緣附近的低壓區(qū)面積比最優(yōu)工況時大，說明大流量工況下比最優(yōu)工況易發(fā)生空蝕。

2.3 不同間隙下導(dǎo)葉端面軸勁處的速度矢量

最優(yōu)工況、大流量工況下各間隙的端面軸頸處速度矢量分布圖如圖5和圖6。

圖5 最優(yōu)工況下導(dǎo)葉軸頸處速度矢量分布圖

圖6 大流量工況下導(dǎo)葉軸頸處速度矢量分布圖

由圖5和圖6的速度矢量分布可得到以下結(jié)論：

（1）導(dǎo)葉軸頸處的回流渦產(chǎn)生在軸頸空蝕區(qū)后，當(dāng)間隙小于0.8mm時，導(dǎo)葉軸頸后回流渦強度變化不明顯，大于0.8mm時，隨間隙值增大，回流渦強度增強，且回流區(qū)域擴大。

（2）大流量工況下回流渦強度比最優(yōu)工況時增強，且回流區(qū)域更大。

3 小結(jié)

本文對混流式水輪機在最優(yōu)和大流量工況下的導(dǎo)水機構(gòu)活動導(dǎo)葉不同端面間隙高度的流場進(jìn)行數(shù)值模擬。計算采用的流場模型在AUTO CAD和UG中生成，流場數(shù)值模擬計算在Fluent中進(jìn)行。分析計算結(jié)果，可得到以下結(jié)論：

隨著導(dǎo)葉端面間隙增大，導(dǎo)葉端面產(chǎn)生空蝕的范圍越大，導(dǎo)葉軸頸后的回流強度越強。所以在符合安裝等條件下，端面間隙越小越好。

隨著導(dǎo)葉端面間隙增大，大流量工況下比最優(yōu)工況易發(fā)生空蝕；大流量工況下的回流渦強度比最優(yōu)工況時增強，且回流區(qū)域變大。所以在滿足電力需求的情況下，機組優(yōu)先在最優(yōu)工況下運行。

通過數(shù)值模擬方法計算導(dǎo)水機構(gòu)內(nèi)部流場，可以方便地揭示流場內(nèi)的速度和壓力分布，對水電站水輪機參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計和改進(jìn)有著重要的意義。

［1］宋文武,等.水力機械及工程設(shè)計[M].重慶:重慶大學(xué)出版社,2005.

［2］劉大愷.水輪機[M].北京:中國水利水電出版社,1996.

［3］廖偉麗,李建中.水輪機導(dǎo)葉端面間隙流動的數(shù)值模擬和實驗研究[C]//第十六屆全國水動力學(xué)研討會文集.2002.

［4］廖偉麗,李建中.水輪機導(dǎo)葉含端面間隙的水動力學(xué)研究[J].水利學(xué)報,2003(2): 43-47.

［5］王福軍.計算流體動力學(xué)分析-CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

［6］馮艷蓉,常志賢.豐滿電站水輪機導(dǎo)水機構(gòu)密封改進(jìn)[J].大電機技術(shù),2001(4): 41-43.

［7］周傳和,周波濤.鳳灘水電廠2號機導(dǎo)水機構(gòu)漏水量大原因分析與改造措施[J].中南水力發(fā)電,2001(9):69-71.

［8］熊朝明,張洪,鄒龍軍.水輪機導(dǎo)水機構(gòu)漏水影響原因分析及處理[J].中國水能及電氣化,2009(4):38-41.

［9］趙海剛,姜秀麗.水輪機導(dǎo)葉端面間隙的控制[J].機電工程,2006,23(11):24-26.