付国龙
哈尔滨大电机研究所 水力发电设备国家重点试验室，哈尔滨 150040
摘要：在轴流式水轮机中，间隙空化主要发生于转轮和转轮室之间，为了减少间隙空化对轴流转轮的影响，在轴流式叶片外缘设计裙边结构。本文通过CFX数值模拟技术进行分析，初步确定外裙边高度、长度对间隙空化影响，并在模型试验中进一步验证。研究结果表明相同试验转角下，叶片外裙边高度设为叶轮直径的1.25%较好，裙边长度覆盖该转角下，叶片进入转轮室部分，且靠近叶片进水边为宜。
关键词：轴流式水轮机；外裙边；间隙空化
1 引言
在轴流式水轮机中，空蚀主要影响转轮和转轮室。由于转轮压力面和吸力面的压差，空化主要发生在转轮和转轮室之间的间隙处。为了减少空蚀对轴流转桨式转轮的影响，在轴流式转轮吸力面设计裙边结构。传统叶片裙边的设计均为借鉴已有裙边叶片的经验进行设计，其形状、长度、厚度有较大的随意性，目前无法准确的判定其对水力性能的影响。同时，由于经验的设计也发生了一些问题，例如，可能由于裙边设计不合理，浙江富春江3#机叶片出现了了空蚀。山图迪斯电站，裙边靠近叶片部分同样产生了空化现象。因此，凭借经验设计的裙边，存在一定的弊端，可能会影响到机组的水力性能。
目前，我国轴流式水轮机叶片外裙边的设计并没有适合的设计方法，仅是通过经验来类推。而通过对国内外水平的了解，越来越多的业主也逐渐重视裙边对水力性能的影响。在真机结构设计上，也需要一个明确的裙边设计指导原则和方法。
本文在借鉴以上研究的基础上，通过CFX数值模拟技术进行分析，初步确定外裙边高度、长度对间隙空化影响，并在模型试验中进一步验证。
2 数值计算
2.1计算模型及边界条件
本文针对某5叶片轴流式水轮机进行研究，建立了模型水轮机全流道三维模型。
数值计算中水轮机的计算域包括蜗壳、导叶区、转轮和尾水管四个部分，每个部分独立进行网格划分，之后通过内部交界面进行连接，计算域网格单元总数7162984。蜗壳进口采用压力进口条件，尾水管出口采用压力出口条件，动域与静域间的交界面（Interface）使用非一致网格连接，采用stage界面传递模型进行模拟，其它边界如蜗壳、转轮、尾水管均采用无滑移壁面边界条件。
2.2计算结果
叶片外裙边长度对间隙空化影响分析计算选择叶片转角为正10度，此时叶片进入转轮室部分为叶片外缘28%~70%部分。通过改变叶片外裙边长度进行计算分析。计算工况如表1和表2所示。
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叶片外裙边高度对间隙空化影响分析计算选择叶片转角为正5度，通过改变叶片外裙边高度进行计算分析。计算工况如表3和表4所示。
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3 模型试验
3.1试验工况
模型试验用模型转轮及通道与数值计算通道一致。试验工况与计算工况一致。
3.2试验结果
在流态观测试验中，控制模型转轮在选定工况点运行，通过不断改变空化系数，观测空化气泡的发生位置及尺寸。
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4 结论
本文针对轴流式水轮机叶片外裙边复杂空化现象，应用计算流体力学软件CFX建立了水轮机数值计算模型，并与模型试验相结合，分析了轴流式水轮机叶片外裙边对间隙空化的影响。得到的主要结论如下：
1)叶片外裙边高度设为叶轮直径的1.25%较好；
2)叶片外裙边长度以覆盖叶片所处转角下，叶片进入转轮室的部分，且靠近叶片进水边为宜。
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