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：轴流式水轮机叶片轮毂侧翼型空化和间隙空化难以区分。本文采用数值模拟与模型试验相互论证的方法对轴流式水轮机叶片空化问题进行研究。研究结果表明，与有轮毂侧间隙的叶片出现轮毂侧空化的空化系数相比，没有轮毂侧间隙的叶片出现轮毂侧空化的空化系数要小；高空化系数下，叶片内缘与轮毂侧间隙出现的气泡是由于间隙的存在产生的，不是由于翼型产生的。
关键词：轴流式水轮机；翼型空化；间隙空化
1 引言
以水为介质的液流，一定温度下，流经局部地区，当压力低于该温度下汽化压力时，水体内部原来含有的很小的气泡将迅速膨胀，在水中形成含有水蒸气或者其他气体的明显气泡，这种由于压力降低使水汽化的过程称为“空化”。在发生空化的低压区液流挟带着大量空泡，形成“两相流”运动，因而破坏了液体宏观上的连续性，液流挟带着的空泡在流经下游压力较高区域时，同时发生气泡凝结作用和空泡破灭，此时，在空泡中心点将形成巨大压力，并将发生每秒近万次的冲击作用。因此空化现象包括空泡的发生、发展和溃灭。它是个非稳定过程。在水轮机中空化可引起过流部件的空蚀破坏，其后果主要是引起水轮机水力性能参数恶化、机械振动和噪音，进而影响水轮机安全运行。轴、贯流式水轮机一般以间隙空化为主。
2 数值计算
2.1计算模型及边界条件
本文针对某4叶片轴流式水轮机进行研究，建立了水轮机单流道三维模型。
计算模型包含单周期的活动导叶及单周期的转轮。活动导叶和转轮计算域均采用四面体网格。活动导叶计算域包含大约26万个网格单元（5万个节点），转轮计算域包含大约240万个网格单元（50万个节点）。以活动导叶入口为计算入口，按计算工况对应的流量为边界条件，流动方向为该工况固定导叶出流方向。以转轮出口为计算出口，设置平均静压（0Pa）为边界条件。活动导叶为静止计算域。转轮为旋转计算域，按计算工况给定转速，由于转轮室为静止壁面，因此设置转轮室按等值反向转速旋转。两个计算域通过stage方式动静接触面连接。活动导叶及转轮的周期面通过旋转周期接触面方式连接。转轮叶片与转轮室之间的间隙、转轮叶片与转轮体之间的间隙也在模型中进行了模拟。湍流模型选择RNG k-ε模型。
计算的叶片分为两种，一种是叶片最大转角为+20度，另一种叶片最大转角为+5度，整体翼型相同。计算选择叶片转角为+5度，此时一种叶片与轮毂之间有正常的加工间隙，另一种叶片与轮毂之间没有间隙，比较叶片与轮毂的间隙不同对局部初生空化的影响。计算工况如表1所示。
表1 计算工况
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在计算结果中，将流场压力换算为绝对压力，再做汽化压力等值曲面，预测空化气泡的发生位置及尺寸。
2.2计算结果
计算表明，在有正常轮毂间隙的叶片与轮毂体的间隙端点位置有气泡出现，而在无正常轮毂间隙的叶片与轮毂体的间隙端点位置无气泡出现。在单位转速130r/min及140r/min上，进水边背面空化明显。
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图1 单位转速130r/min。左：正常间隙；右：无间隙
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。模型转轮叶片编号、研磨转角及试验转角见表2。当模型转轮叶片研磨转角与试验转角一致时，叶片与轮毂体间无间隙。试验工况见表3。
表2 叶片编号、研磨转角及试验转角
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表3 试验工况
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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。试验结果如图2所示。
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图2 Z10 n11=140 sigma=1.28(左：2#叶片正常间隙有气泡；右：8#叶片无间隙无气泡)
4 结论
本文针对轴流式水轮机叶片上出现的复杂空化现象，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轮毂侧翼型空化与间隙空化的区分方法。得到的主要结论如下：
1) 高空化系数下，叶片内缘与轮毂侧间隙处出现的气泡是由于间隙原因产生的，不是由于翼型原因产生的，即为间隙空化，不宜将此时的sigma数作为叶片初生空化系数。
2) 去除轮毂侧间隙的影响，由于翼型原因产生气泡时的空化系数更小。
3) 该方法有利于实际电站进行空化类别区分，从而根据不同空化类别，有针对性的解决转轮空蚀问题。
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