轴流转桨式水轮机轮缘间隙流动的空蚀形态研究

轴流转桨式水轮机轮缘间隙流动的空蚀形态研究

1轮缘间隙空蚀的研究进展轴流导向船的内部流动特性受到船尾角度的影响，相对混流体的内部流动规律更为复杂，效率较低，空蚀性能较差。尤其是轴流式水轮机间隙空蚀存在,使得在大容量工况下水轮机出现异常噪声和振动。虽然采取许多措施如采用抗磨涂层,头部修圆,以及在叶片的轮缘处加裙边,但仍然无法解释轴流式水轮机的转轮叶片头部和尾部轮缘处的空化与缺角现象。目前对于间隙流动的认识比较笼统,如对由于迷宫环,平板叶栅,转轮的间隙等只要有间隙存在的所造成空蚀的统称为间隙空蚀,对其流动特点、类型都没有加以区分。此外由于轴流转桨式水轮机转轮与轮毂的相互作用形成了水力机械内复杂的涡系,使得人们对轴流式水轮机的内部流动特性还不是很清楚。文献对单个一翼型和翼栅的空化性能进行了系统的研究,由于间隙流动的复杂性,使得该文献并未涉及到翼栅端面和旋转机械转轮端面间隙的空化特性。文献对水轮机空蚀进行了外特性实验研究,研究表明轮缘间隙对水轮机的效率影响,空化性能都有很大影响。文献对导叶的端面间隙流动进行了理论和实验研究,认为间隙泄漏流动不仅严重改变了水轮机转轮内部的三维流动结构,也是水轮机的非稳定源之一。本文通过试验,对轴流转桨式水轮机轮缘间隙空蚀进行详细的研究,研究观察表明,轴流转桨式水轮机轮缘间隙空蚀在不同工况下,在转轮叶片轮缘不同的位置形成几种不同空蚀形态。从而揭示轴流转桨式水轮机间隙空蚀的类型与水轮机运行工况关系,以及间隙泄漏流动所造成的泄漏涡的产生和发展规律。2试验台本试验是在哈尔滨大电机研究所高水头水力机械模型试验Ⅱ台完成,它是一座高参数、高精度的水力机械通用试验装置。高水头水力机械模型试验Ⅱ台所有试验参数,特别是模型尺寸,试验水头、雷诺数均满足IEC有关规定,高Ⅱ台模型试验的综合误差范围≤±0.2%。试验台是一个封闭式循环系统,具备模型转轮叶片进口正背面脱流、叶片正背面空化、卡门涡、叶道涡及尾水管涡带等观测手段及相应的观测设备和装置。试验台有空气含量测定装置。实验条件:(1)空化性能试验在能量工况尾水箱通大气的条件下开始,试验中保持单位转速及水头不变,逐步抽真空以降低尾水箱内压力,采集在不同空化系数下的效率、单位流量和单位出力等参数。(2)气泡观测与空化试验同步进行,不同工况点的空化试验。通过调整闪频仪的频率,使其与水轮机的转速保持一致,即可看到基本固定的叶片图像,可观测到叶片及间隙内的气泡发生与发展情况。轴流式转桨式水轮机模型试验装置的主要参数:转轮名义直径D=400mm转轮叶片数Z=5固定导叶数Zs=24活动导叶数Z0=24导叶分布圆直径D0=1.2D1活动导叶高度B=0.378D13试验与研究3.1间隙空蚀的产生部位和空化分型实验观察表明轴流式转桨式水轮机轮缘间隙的流动十分复杂如图1所示,不同桨叶角度下即不同工况下,叶片的轮缘附近的不同位置,发生不同型式的轮缘间隙空蚀。当轮缘间隙的最低压力达到或略低于该温度下的空化压力时,靠近轮缘和间隙内部发生各自度独立的极为清晰的空泡。在水轮机中用相对空蚀系数Cp来评价他的空蚀性能。Cp=Pk×1000−PV×1000+Q2×ρ/2S2gPΔρCp=Ρk×1000-ΡV×1000+Q2×ρ/2S2gΡΔρ其中Pk为尾水压力,PV水的空化压力,Q为流入蜗壳的流量(m3/s),S为模型机组的出口面积(m2),ρ为水的密度(kg/m3)。g为重力加速度(m/s2),PΔ为蜗壳进口和尾水管出口压差。压力的单位(Kpa)。在图1的模型综合特性曲线上标明了不同工况下,产生不同间隙流动形式的分界点和空化型态。从该图可以观察到轴流转桨式水轮机轮缘间隙空蚀在不同工况下,在不同的位置形成一种或几种不同的间隙泄漏涡带。图2详细列出了轴流转桨式水轮机轮缘间隙空蚀产生部位和空化型态。以下根据空蚀空泡发生的部位不同,进行分类:Ⅰ种图2a,间隙流动的泄漏涡带从叶片进口背面的轮缘头部,一直发展到轮缘的尾部,类似游移漩涡空蚀,运行工况位于模型特性曲线协联工况①的下面,浆叶角度为φ=-5°,小开度情况下产生的。Ⅱ种图2(b)除了有Ⅰ种的特点外,在叶片进口正面的轮缘头部出现鸡冠帽状的空化汽泡。它的运行工况点位于模型特性曲线协联工况①的左上角⑦,随单位转速的增加空化空蚀的强度增大,且在该处的空蚀强度将大于其它部位,位置不变,属于固定空蚀,这与文献的观察相一致。Ⅲ种图2(c)如纺锤形,起始于叶片进口背面的轮缘头部,间隙流动犹如曲卷丝带缠绕整个轮缘上。它的运行工况点位于模型特性曲线协联工况②点附近。随浆叶角度增大,丝带在轮缘中部逐步减小图2(d)。Ⅳ种图2(e)丝带形,位于叶片进口背面的轮缘头部,间隙泄漏涡带在叶片的轮缘头部曲卷,属游移漩涡空蚀。它的运行工况点位于模型特性曲线协联工况④⑤的下方,该处的空蚀强度比较小,波动频率和幅值随开度和浆叶角度的变化而变化。Ⅴ种图2(f)尾涡形,位于叶片出口轮缘尾部,间隙泄漏流动对与转轮出口的相互作用所形成的间隙泄漏涡带,它的运行工况点位于模型特性曲线协联工况⑥上方,大的浆叶角度,并随单位转速的增加,导叶开度的增大尾部泄漏涡带发散加剧。图2(g)为叶片出口轮缘尾部间隙流动在间隙内部和尾部的空蚀空泡,尾部的泄漏涡带,它如中国京剧长娥的水袖飘动,该图显示了涡带的延伸范围。通过以上的试验观察表明各种工况下都有间隙空蚀产生,其中间隙泄漏流动和间隙泄漏涡带在Ⅰ、Ⅱ种情况,轴流转浆式水轮机轮缘间隙流动由于导叶开度对的间隙流动影响比转轮叶片旋转角度的影响更大;而在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ种情况,轴流转浆式水轮机轮缘间隙流动由于转轮叶片旋转角度的影响比导叶开度对的间隙流动影响更严重。在图3a、b电站的轴流转浆式水轮机叶片头部和轮缘的空蚀破坏情况也能观察到同样的现象。通过实验还表明在轴流转浆式水轮机轮缘间隙空蚀出现空泡时,转轮叶片的其他部位没有发生翼型空蚀。说明间隙空蚀先于翼型空蚀。试验研究表明轴流转浆式间水轮机间隙空蚀的类型与水轮机运行工况有作密切的关系,以下就间隙空蚀发生、发展与浆叶角度和导叶开度的关系。3.2轮缘间隙泄漏的组织结构当浆叶角度φ=-5°时,a=22时,n11=120,在协联工况运行时,间隙泄漏流动犹如三角形图2(a),由正面通过间隙流向背面,间隙泄漏涡的起点距尾端t=L/12的弦长处开始,曲卷的流向背面,在主流的作用下,使得泄漏涡带逐步远离轮缘m=10mm,受尾涡的影响,在n11>n协时泄漏涡带在尾部变粗;Q11>Q协,尾部涡带变粗,起点前移。a=26时,间隙泄漏涡带犹如三角楔,m减小紧贴轮缘,n11<n协时,水头增大,流动的脉动加剧。a=28时,n11<n,开度增大,轴向流速增大,间隙泄漏涡带比a=26时,偏离轮缘,尾部涡带延长,起点后移,间隙泄漏涡带的形状仍然为三角形。a=30时,继续增大导叶开度,间隙泄漏涡带与a=28时相同,脉动剧烈。a=32时,间隙泄漏流动的起点移到了t=2/3L玄长处,泄漏涡带的形状在尾部成为三角楔,当n11<n协,间隙泄漏涡带起点向上爬,逐步向进水边方向移动,t值减小。n11>n协,在叶片正面的头部和叶片背面尾部同时出现泄漏涡带。a=34时,叶片的头部和尾部泄漏涡带更为明显如图2(b),其中叶片的头部空泡范围和位置不变,沿着协联工况的左上角运行时,漩涡强度增大。这是由于叶片头部有一小的冲角,除了在叶片背面出现严重尾部涡带外,在叶片正面头部轮缘附近出现低压区,使得该处背面的水流经过轮缘间隙爬向叶片的正面,在叶片的正面很小部分的面积上出现严重的局部空蚀空泡如图2(b)。此外在该处除了存在泄漏涡带外,泄漏流动与主流在此产生二次流动,工况变化对二次流动漩涡的位置不产生影响,主要对漩涡强度有贡献。另外在轮缘的其余部分,叶片背面的压力低于叶片正面,故而使得间隙内部的流体由叶片的正面又通过轮缘间隙逐步爬向叶片的背面。泄漏量由进口到出口轮缘处逐渐增加,泄漏涡核的半径逐步增大。其次轮缘间隙内部的流动,在该浆叶角度下分两部分:一部分是头部,占总弦长L/12,其流动方向为叶片背面流向正面;另一部分为后续的整个轮缘,其流动方向叶片正面流向背面,从而充满了整个轮缘间隙,是轮缘空蚀破坏的主要原因。这两部分的交界处受到扭应力作用,这也是轮缘头部易于损坏的原因之一。(1)φ=0°如图2(c)在小开度时,间隙泄漏流动由叶片的正面通过间隙爬向叶片的背面,与主流的相互作用形成泄漏涡带,泄漏涡带的起始点受流量的变化而变化如图2(c)(d),泄漏涡带半径比负的浆叶角度小,对主流的影响小,空化性能比前者好。它随开度的变化规律如下:a=26时,n11>n协;间隙泄漏涡带,泄漏涡带的起始点由叶片背面的进口边轮缘处头部开始逐步向轮缘的中部移动,泄漏涡带犹如丝带紧贴叶片背面,并缠绕轮缘,间隙内部的流动的泄漏量在轮缘的中间多于两边,泄漏涡核的半径也是中间大两头小。导叶开度增大到a=28时,流量增大,此时处于零冲角,最优工况,叶片正背面压差减小,间隙内部的流动最小泄漏涡带半径比a=26时更细。a=30时,n11>n协,泄漏涡带很细,泄漏涡带的起始点后移,n11=n协脉动减弱,泄漏涡带的起始点逐步移向尾部。a=32时,n11>n协叶片的头部背面出现撞击,泄漏涡带的起始点位于中部。在叶片正面的头部和叶片背面尾部同时出现泄漏涡带。a>34,在叶片的头部首先有由背面的部分流体通过间隙爬向正面,形成叶片进口轮缘头部的间隙泄漏流动,同时与主流的相互作用,在叶片进口正面的轮缘头部形成二次流动漩涡,使得在叶片的正面很小部分的面积上出现严重的局部空蚀空泡图类似(b)。随后部分叶片背面的压力低于叶片正面,又使得间隙内部的流体由叶片的正面通过轮缘间隙逐步爬向叶片的背面图。在大开度泄漏涡带的起始点由叶片的进口边轮缘处头部开始逐步向轮缘的中部移动,(2)φ=+5°a=28时,泄漏流动由叶片正面开始通过间隙移动到叶片的背面,脉动频率减慢,n11>n协,泄漏涡带向尾部延伸,n11<n协,泄漏涡带的尾部向轮毂方向偏斜,r增大。a=30时,n11>n协,叶片背面泄漏涡和尾涡共存图2(d),脉动频率加剧,并出现在整个背面轮缘图。n11<n协,泄漏涡带在尾部逐步向上爬行。a>32泄漏涡带在尾部向出口延展。开度增加到a=34时,在协联工况下,背面轮缘的泄漏流动中部分离,轮缘头部泄漏涡带和尾涡共存。(3)φ=+10°a=28时,间隙流动泄漏涡带仅在叶片的背面头部如图2(e),前粗后细。到a=30时在协联工况下,流量加大,涡带中部半径增大,涡带形状变成前细后粗。如图2(f)轮缘处的泄漏涡带的空蚀空泡。a=32时,在协联工况下叶片背面轮缘头部泄漏涡带和尾涡共存(d)。a=34时,在协联工况下叶片背面轮缘泄漏涡带位于尾部。偏离协联工况的右边叶片背面轮缘头部泄漏涡带和尾涡共存,继续增大开度到a=36时,在协联工况下,泄漏涡带运动到叶片背面,泄漏涡带位于尾轮缘部。(4)φ=+15°a=30时,在协联工况下,叶片背面轮缘头部出现泄漏涡带图2(e)类似,Q11>Q协,叶片背面出现撞击,泄漏涡带伸长,脉动加剧。随着开度增到a=32时,叶片背面轮缘头部出现泄漏涡带,并延伸到尾部。在协联工况左边运行时,水流撞击、叶片背面头部,使得间隙流动加剧,泄漏涡带的半径加粗,泄漏量增大,并逐步向轮毂方向偏斜。直到增大到a=34时,在叶片的尾部产生泄漏涡带,并与尾涡相互作用,随开度进一步加大,使得间隙流动由尾部沿轮缘向前纵伸,后者的作用使得尾部泄漏流动与尾涡缠绕,二者的漩涡中心分别位于轮缘以及与其垂直的两个交错平面内。其中尾涡的范围比较小,对泄漏涡带影响仅限于尾部轮缘处。在协联工况下,叶片背面轮缘头部出现微弱的泄漏涡带,像细绳紧贴的缠绕在轮缘上。继续增大开度到a=36时,叶片背面轮缘头部泄漏涡带消失,尾部泄漏涡带脉动加强。继续增大开度,空泡半径加大,尾部泄漏涡带曲卷的扫射到转轮室的边壁2(g)。这是转轮室旋转中心以下破坏的主要因素。4间隙流动与轮缘空蚀从以上的实验观察表明,轴流转桨式水轮机轮缘间隙流动极为复杂。通常,在静叶片导叶端面的间隙流动,主要表现在从叶片的正面通过间隙流向叶片的背面,所形成的空蚀形态为一种形式,工况对其的影响主要表现在泄漏涡带的大小和强度;然而轴流转桨式水轮机受旋转离心力、桨叶角度和导叶开度的影响,轮缘间隙流动有五种的空蚀形态,这几种空蚀形态随桨叶角度和开度的变化,可能有一种或两种同时出现。主要表现在:1.在负的桨叶角度下,导叶在小开度,协联工况的左边运行时,间隙流动的泄漏涡带从叶片进口背面的轮缘头部,一直发展到轮缘的尾部,类似游移漩涡空蚀,在叶片的背面轮缘处产生第Ⅰ中空蚀形态;随着开度增大到协联工况的右边运行时,除了叶片的背面轮缘处空蚀外,在叶片进口轮缘处泄漏流动由背面爬着进入轮缘间隙,在正面头部产生泄漏涡带,涡带核心的方向与轮缘成一夹角,它与该处的部分主流相互作用形成二次流动,二次流动漩涡方向垂直于叶片方向,其结果使得涡带核心的方向与轮缘成一夹角增大,引起正面头部轮缘处产生小面积的严重的空化汽泡,为第Ⅱ种空蚀形态,这是轮缘头部