轴流转桨式水轮机轮缘间隙流动及空化特性的研究

轴流转桨式水轮机轮缘间隙流动及空化特性的研究

1轴流式织物轮缘间隙动态流变学特性研究的必要性由于中国河流中大部分沉积物含量较高，因此轴旋转桨式换热器的运行过程中车轮边缘部容易受到沉积物侵蚀和破坏。在轴旋转桨的蒸汽机中，叶片车轮的旋转边缘与车轮室之间存在一定的间隙，这间隙表明叶片头部存在泄漏趋势。据文献报道，叶片头部在漏水流量中存在严重的间隙浪费。上述两种破坏形式在同一区域发生的时候是相互影响相互促进的,这就使得轴流转桨式水轮机轮缘头部的破坏十分严重。电站运行的实际情况表明,在叶片的正背面轮缘头部、转轮室、叶片外缘和转轮体等局部遭到严重的空蚀磨损破坏,严重影响了电站的安全运行,成为亟待解决的问题。水力机械受到空蚀和泥沙磨损破坏时,表现出多种破坏特征,这就说明产生的破坏是由空蚀和泥沙磨损的联合作用造成的。通常轮缘间隙的大小为0.1%的转轮直径,这样就使得间隙泄漏流动和泄漏涡的产生是不可避免的,它与轮毂的粘性作用形成了水力机械内部复杂的涡系。在这种情况下,沙粒被附加以很大的动能,如实际水轮机运行经验所表明的,缝隙流动中处于严重的磨损条件下,其边壁磨损较为严重。由于轴流式水轮机轮缘间隙内的流动过于复杂,为了能更深入地了解这种流动过程,就需要对轴流式水轮机轮缘头部间隙空化流动进行更进一步的研究工作。文献已对轴流转桨式水轮机转轮轮缘间隙的三维湍流流动进行数值模拟与试验研究,重点分析了不同工况下轴流式水轮机轮缘间隙内部、叶片表面和轮缘间隙泄漏流动的流速分布规律。本文将基于上述研究结果,从叶片正面头部轴流式水轮机磨蚀最严重三角区的流动特点着手,阐明轴流式水轮机磨蚀机理。2叶片内部空化机理对水轮机进行数值模拟时,本文了解到有无间隙时轴流式水轮机流动分布,以往的研究已经清楚地说明了,在水轮机运行时间隙的存在对流场以及流速分布的巨大影响。在电站的轴流式水轮机实际运行中,转动部件转轮与静止的转轮室之间,存在有高速水流引起叶片的轮缘间隙空化。轮缘间隙存在的时候,叶片轮缘处存在泄漏流动,靠近叶片轮缘出口附近的转轮室有泄漏涡带,尾部有泄漏涡带和尾涡。它们与主流相互作用,在下游间隙泄漏流动所产生涡带向下曲卷、飘动,逐渐扩散,涡的强度逐步减弱。研究表明,叶片轮缘处存在的泄漏流动随工况变化而变化。在转轮叶片头部进水边轮缘处间隙泄漏流动极为复杂,对叶片、轮缘和转轮室的作用因工况的变化而有所不同。在转轮进口叶片轮缘处的头部,受几方面的作用,如转轮主流、转轮室与叶片的角流以及间隙泄漏流动多方面力的作用,使得该处的流动比水轮机静止叶片的间隙泄漏流动更为复杂。图1为叶片头部区域的流动分布。来自叶片背面的一部分泄漏流动从间隙进入叶片的压力面,主要造成两种影响:一是产生曲卷的泄漏涡带;二是部分主流方向的流动受间隙泄漏流动的插入,这两者相互作用在头部形成二次流动漩涡,二次流动漩涡核心的方向与叶片的法向一致[如图1(b)],漩涡的形状呈长短轴比不同的椭圆形,其长轴方向为水流方向。泄漏涡带主要在叶片进口的正面轮缘产生空化,这也表明泄漏涡带头部对叶片正面头部形成切削作用,泄漏涡带尾部不构成切削作用,对叶片正面的其他部分没有直接影响;二次流动漩涡则使得该处的泄漏涡带旋转中心线的方向比背面的泄漏涡带旋转中心线倾角增大,结果是该处发生片状空化和磨损的共同作用,并且本区域部位的头部会产生穿透性的空化破坏。此外,头部的轮缘区流动受工况的影响比较严重。在发生负转角时,头部的撞击会随单位转速增加而增大。在协联工况时,头部撞击消失,二次流动减小,磨蚀性能得到极大的改善。为了进一步了解间隙引起叶片头部的空化发生机理,本文在上述的基础上对轴流式水轮机的内部流动进行了空化数值模拟计算,采用的空化模型是现在国际上比较通用的两流体模型。两流体模型将每一种流体都看作是充满整个流场的连续介质,针对两相分别写出质量、动量和能量守恒方程,通过相界面的相互作用(动量、能量和质量的交换)将两族方程耦合在一起。这种方法只需假设每相在局部范围内都是连续介质,不必一一引入其他人为假设。虽然两流体模型包含的变量多,方程复杂,求解困难,但随着计算机技术发展,两流体模型由于其计算结果的优越性而得到了越来越多的运用。两流体模型的控制方程为∂ρm∂t+Δ⋅(ρmu⃗)=0∂∂t(ρmu⃗)+Δ⋅(ρmu⃗u⃗)=−ΔP+Δ⋅[(μ+μt)Δu⃗]+∂ρm∂t+Δ⋅(ρmu→)=0∂∂t(ρmu→)+Δ⋅(ρmu→u→)=-ΔΡ+Δ⋅[(μ+μt)Δu→]+13Δ⋅[(μ+μt)13Δ⋅[(μ+μt)Δu⃗u→]∂αl∂t+Δ⋅(αlu⃗)=(m˙−+m˙+)∂αl∂t+Δ⋅(αlu→)=(m˙-+m˙+)其中混合物密度和紊流粘滞系数被分别定义如下ρm=ρlαl+ρv(1−αl)μt=ρmCμk2ερm=ρlαl+ρv(1-αl)μt=ρmCμk2ε而界面之间的相互作用则由以下两个公式来完成,这也就是两流体的空化模型,即m˙−=Cdestρvαlmin[0,p−pv]ρl(12ρlU2∞)t∞m˙+=Cprodρvα2l(1−α1)ρlt∞m˙-=Cdestρvαlmin[0,p-pv]ρl(12ρlU∞2)t∞m˙+=Cprodρvαl2(1-α1)ρlt∞从计算的结果上看,数值模拟的结果和试验研究所观测到的情况还是比较吻合的。在不考虑沙粒对叶片头部磨损的情况下,由间隙产生的空蚀最可能发生的区域是位于叶片头部紧靠间隙的地方。上面我们也提到这个区域正是泄漏涡带开始产生的地方,由于泄漏涡的出现,此处的压力大大低于其他的区域,很容易成为负压区,从而达到空化发生的条件,这也就解释了实际运行中为什么这个区域极易遭到破坏。图2是分别在转轮出口压力为0.1MPa(空化系数0.1)和0.4MPa(空化系数0.2)叶片头部发生空化数值模拟结果。根据效率与空化系数的关系我们知道,在一般情况下效率的提高会伴随空化系数的增大,在提高效率的同时,会造成空化程度的加剧。从图2中得知,在不同空化系数的工况中,间隙流动造成的头部空化也受到这一规律的影响。如果仅仅是发生空蚀,在采取一定的防护措施(如使用软涂层)后,叶片的破坏基本上就能得到很好的抑制。事实上,无论采用何种防护措施,叶片头部的破坏都不是能轻易消除的。这就使得我们在研究时,不能仅考虑空蚀的破坏,而要与沙粒磨损结合起来,研究它们的联合破坏作用。3砂蚀和磨损的联合作用3.1材料磨损的形式与影响因素有沙粒冲击磨损材料的环境条件对材料的磨损强度有重要影响,它包括:沙粒冲角的影响,磨损作用时间的影响,沙粒冲击到材料表面时其运动特点的影响以及空化条件的影响。其中,冲角的影响在磨损的过程中起着很重要的作用。从沙粒磨损机制上我们了解到,材料表面的磨损失重由反复变形磨损与微切削磨损两部分的过程所构成。而这两种磨损过程均与沙粒的冲角有着密切的关系。在研究过程中,人们把具有一定冲击动能的沙粒所造成的材料磨损按其作用方式分为以下两种:(1)磨损为纯变形磨损,在这种作用形式中颗粒动能的垂直分量决定材料的磨损量。(2)磨损为纯切削磨损,则颗粒动能分量决定其压入材料表面的深度。而沙粒的冲击动能的水平分量完成切削运动,从而最终剥落材料的微体积,造成磨损量。水轮机实际材料的磨损过程中,包含微切削与变形磨损两部分。对于不同的材料,起主要破坏作用的形式也相应的不同。例如:对于有较高硬脆性的水轮机材料(如表面硬化钢和高硬铸铁),主要为变形磨损,其最大磨损冲角接近90°。对于较高韧性的水轮机材料(如软钢和铜),其最大磨损冲角向小冲角方向靠近。对于轴流转桨式水轮机来说,叶片头部在一般情况下主要承受来自正面的沙粒撞击,材料的磨损应以沙粒的冲击而产生的变形磨损为主。具有较高韧性的材料似乎比较适合这一区域的磨损特性。但据实际观测可以发现,叶片头部材料磨损最为严重的是头部靠近间隙的地方,所以我们就不得不考虑间隙流动对沙粒冲角的影响了。由于间隙流动的存在,沙粒原本对叶片头部的单一大冲角磨损受到了很大影响。间隙流动不仅造成泄漏涡带的产生,还在头部造成了靠近间隙的空化区域,使得这一区域的流动变得异常复杂。泄漏涡带和空化现象都很大程度地引起沙粒冲角的变化,沙粒对材料的切削作用得到了大大加强,这也使得这一区域受到了多种破坏因素的联合作用,破坏非常严重。所以我们在对叶片头部进行保护的时候,要考虑多方面的因素,这也就要我们在研究具体问题时,应根据水轮机的实际情况来判断造成磨损的原因,进一步采取相应的保护措施。3.2抗空化的机制当含沙水流中产生空化现象时,空化作用与沙粒磨损作用相互影响,过流部件表面的材料耗损是空蚀与沙粒磨损共同作用的结果。空蚀破坏的根源在于水流中产生初生空化空穴。当水流中含有泥沙颗粒时,颗粒中不可避免的带有大量的气核,易产生空化空穴。但空化对过流表面材料的破坏强度取决于空化空穴的破裂和失去稳定的条件。稳定通过的空穴并不造成材料的破坏。在叶片头部,沙粒对叶片的撞击是不可避免的,而由间隙引起的泄漏涡和二次流动涡带又加强了这个区域流动的复杂性和不稳定性,沙粒彼此之间或流道边壁碰撞时,将形成相对于水流的加速度,在沙粒后方将形成压力下降区,有利于空化空穴的产生,故水中的含沙将促进空化现象的产生。在空化漩涡中空化泡由于旋转运动的作用而被包含于漩涡核内,并随漩涡的运动而运动。当周围压力迅速增加时,首先造成空化漩涡中小部分的空化泡溃灭,其所产生的溃灭压力将导致其余空泡的相继激烈的溃灭,产生巨大的冲击压,作用在固壁上造成严重的空蚀和振动。上文中已经提到了沙粒的磨损和冲角之间具有紧密的关系,在叶片头部由于涡带和空化的发生,均造成局部强烈扰动,使水流中的泥沙颗粒获得极大的附加速度,冲击流道边壁材料的动量大为提高,造成更快和更强烈的沙粒磨损。图3为大修后叶片头部与汛期过后叶片头部状况,从图3(b)我们可以看到在头部边缘,由于受到沙粒的直接冲击磨损,不但保护层全部被磨掉,叶片的本体也受到了比较严重的破坏,尤其是在头部间隙的区域(也就是我们上面计算发生空蚀的区域),由于空蚀的出现,与沙粒磨损的联合作用,这个区域被破坏的极其严重。在叶片的上面,我们只是在泄漏涡带和二次流动漩涡的地方发现片状空蚀发生过机产生的破坏痕迹。由于不同材料在不同颗粒冲角下的破坏程度不一,就需要对材料的抗空化与磨损特性结合起来加以考虑。上面的现象说明间隙流动产生的空化区域及涡带区正是造成叶片头部磨损的主要原因,结合沙粒磨损中冲角对材料特性的关系,就使得在以后对水轮机叶片头部进行保护的时候,要认真分析不同材料被破坏的具体因素,不能单纯考虑一个方面。4间隙流动与角的关系本文阐明轴流式水轮机叶片头部磨蚀机理。认为形成磨蚀的因素很多:磨损方面的影响因素主要是颗粒与材料之间的冲角、流速、材质,过流部件的型线,运行工况等,在具体的情况中,沙粒对材料的破坏因具体材料不同会表现出不同的破坏程度,主要由材料特性与破坏冲角的关系决定;而在空化破坏方面,由于轴流式水轮机转轮叶片头部存在间隙流动,间隙流动会引起叶片头部的泄漏涡带,泄漏涡带和主流又相互作用形成二次流动漩涡,这些造成这个区域流动十分复杂并引起了头部的空化。磨蚀的象征是鱼鳞坑,呈长短轴比不同的椭