轮缘间隙对轴流转桨式水轮机流动特性的影响

轮缘间隙对轴流转桨式水轮机流动特性的影响

在带有浮动齿轮的倾斜齿轮上，由于螺母壳体的不对称性，随着水流条件的变化，轴向流动的导向叶片和驱动叶片的角度会随着事件的变化而变化。为了使贷款的内部流动更复杂，在贷款的框架内存在一定的间隙。文中对于转轮叶片和转轮室轮缘间隙流动的影响,伏依特(VIOTH)公司采用增加裙边的方式来减小轮缘间隙流动的影响,其结果是裙边的作用增加了轮缘处面积,可以使部分轮缘中部处的压力趋于均匀,减轻了空蚀对轮缘中部的破坏,同时能够推迟叶片轮缘背面的尾部处在叶片背面轮缘出口处形成的尾涡,有力地防止了在叶片背面形成严重的空蚀,但该方法不能对叶片正面头部、转轮室以及尾水管里衬空蚀破坏有所帮助。对于转轮叶片与轮毂间隙所造成的间隙泄漏流动的影响,Tomas等在设计中考虑转轮叶片与轮毂间隙流动的影响,对转轮叶片进行优化设计,提高了轴流转桨式水轮机的效率。文对轴流转桨式水轮机轮缘间隙流动进行了数值模拟和试验研究,重点分析了泄漏流动所引起的空蚀特性和空蚀破坏的机理。文基于雷诺应力模型对轴流转桨式水轮机轮缘间隙的三维湍流流动进行数值模拟,分析了轮缘间隙内部、叶片表面和轮缘间隙泄漏流动的流速分布规律。本文通过数值模拟的方法,对在不同桨叶角度和各导叶开度下含轮缘间隙的轴流转桨式水轮机转轮部分的流动特性进行了详细研究,并进一步分析轮缘间隙在不同工况下,对转轮流动特性的影响范围和程度,从而为提高轴流转桨式水轮机性能和电站的稳定运行提供依据。1控制方程离散数值求解通过SIMPLEC算法实现速度、压力的分离求解,控制方程离散时,压力项采用二阶中心差分格式,其它项采用二阶迎风差分格式。离散差分格式具有二阶精度,通过计算获得了各过流部件的流动细节,从而进一步研究轴流式水轮机的流动特性。1.1n-s方程及低雷诺数关系水轮机的转动部件可以用纳维-斯托克斯(Navier-Stocks)方程来描述,并应用Reynolds的模拟方法对非稳态控制方程进行时均化处理,得到一个不封闭的方程组。按雷诺时均法则,N-S方程表示如下:连续性方程∇⋅(ρU)=0(1)∇⋅(ρU)=0(1)动量方程∇⋅(ρU⨂U)=∇⋅{−pδ+μ[∇U+(∇U)T]}+Sm(2)∇⋅(ρU⨂U)=∇⋅{-pδ+μ[∇U+(∇U)Τ]}+Sm(2)式中,U为速度;ρ为密度;μ为动力粘性系数;δ为克罗内克系数;Sm为动量源项;p为压力。雷诺时均方程中含有速度脉动量的二阶相关项,未知数个数多于方程个数,本次定常计算采用标准k-ε双方程模型使其封闭。采用低雷诺数紊流模型解决转轮间隙和边界层的紊流问题。由于受计算方法的限制,通常采用壁面函数对整个水轮机进行数值模拟,而不采用边界层求解法。1.2轴流转桨式转轮叶片的实物理基础水轮机转轮部分的数值计算区域包括:活动导叶(共有24个活动导叶,单个周期活动导叶的计算域)和转轮部分(共有5个桨叶叶片,单个周期转轮部分的计算域)。其中转轮叶片是一个空间扭曲面,如图1所示的叶片示意图。为了在图纸上表示出该叶片形状,需要给出叶片在三个方向上的投影(见图1),此外常常还要附加若干局部剖面(略)。依据这样的理论基础,利用叶片的木模图进行轴流转桨式转轮叶片的实体造型。根据流动的对称性,只选一个周期的计算域进行计算,这样可以加大计算区域网格划分的密度,提高计算精度。由于计算区域存在旋转部分(转轮)和静止部分(活动导叶)相互干涉的情况,不能用单一旋转系来进行计算,故在动/静干涉面上采用滑动网格技术进行连接,图2为水轮机导叶和转轮一个周期的计算域。1.3网格划分和求解计算结果的好坏很大程度上取决于网格质量。针对计算域空间复杂的特点,为了同时解决紊流边界层和轮缘间隙问题,利用CFD在多块拓扑结构上生成计算网格,计算网格采用了适应性较强的非结构化四面体网格划分技术,且其网格尺寸尽可能小,控制体尽可能正交。本文采用非结构化网格离散计算域,通过设定控制线来控制网格分布,在导叶与转轮叶片头部和尾部增加线源,加密局部网格。因为主要是研究轮缘间隙对轴流式水轮机流动特性的影响,所以轮缘间隙处的网格质量对于计算结果的准确性至关重要,通过在间隙处增设控制线来实现其网格的细化。图3分别为计算区域中的单个叶片、单个活动导叶以及单个计算周期的网格划分。1.4边界条件的设置对于单周期计算域来说,活动导叶的计算域为整周期的1/24,转动域及其出口延伸断为1/5,轮缘间隙相对大小为0.5%的转轮。准确求解轴流转桨式水轮机内部的流动,除建立合理的数学模型之外,给定适当的边界条件也是非常重要的。由于考虑数值计算收敛性的好坏,采用流量作为进出口条件,流量方向是固定导叶出口(活动导叶进口)面的圆周方向;同时采用相对压力为出口条件进行数值模拟。临近固壁的区域采用了壁面函数,固体壁面采用无滑移边界条件,固体壁面的流动速度为零,即UWall=0;如果边界转动,边界上的速度为给定的周向速度。2车轮的流动特性2.1储层密度的确定采用的算例是轴流转桨式水轮机参数:转轮直径为D=0.34m,轮毂比为d/D=0.428,转轮叶片数为Z=5,导叶高度B/D=0.3706,活动导叶数为Zb=24。根据流动的对称性,前面建模过程中只选取了一个周期,这样可以加大计算区域网格划分的密度,提高计算精度。通过流动分析软件CFD对轴流转桨式水轮机的所有运行工况点进行数值计算,进而分析有轮缘间隙的转轮部分的流动特性。2.2包括车轮中心间隔的车轮内部流动研究2.2.1叶片的流场特性下面讨论有轮缘间隙的时候,轴流式水轮机转轮叶片工作面和吸力面上的流速分布。由于文章篇幅的限制,主要选取以下6个工况点进行分析说明,具体参数如表1所示。在轴流转桨式水轮机的不同桨叶角度和各导叶开度下,转轮内部流场是有很大区别的。图4为各工况下叶片正背面上的流速分布图,其中在每一张图中,左边是叶片正面的流速分布图,右边是叶片背面的流速分布图。图4a为小桨叶角度下活动导叶相对开度较小时流速分布图。当流量和速度都较小的时候,叶片正面靠近轮毂处有很大的涡流产生,对流场的扰动比较大;叶片背面的涡流很小,对流场的扰动也比较小。但是在同一桨叶角度和导叶开度下,随着流量和速度的增大,叶片正面的涡流尺寸逐步减小,对流场的扰动能力也逐步减小;而叶片背面的涡流尺寸和对流场的扰动相对增大,如图4b所示。当桨叶角度依然不变,而活动导叶的相对开度增大,叶片附近的流态比小开度的有所改善,叶片正、背面的涡流或脱流对流场的干扰能力减弱,如图4c所示。桨叶角度增大到20°时,随着流量的增大,叶片正、背面靠近轮毂处的涡流都有明显的减弱,叶片正面的涡流变小的程度较大;叶片背面的涡流相对不是很明显。随着活动导叶相对开度的增大,叶片正、背面的涡流尺寸和对流场的扰动能力都有所减弱,如图4e所示。当桨叶角度继续增大到30°时,叶片正面头部靠近轮毂处的地方有很小的涡流产生,可能是由于叶片头部的撞击所导致的;叶片背面的涡流较大,涡流对流场的影响比正面强烈。同时随着流量的增大,叶片正、背面的涡流都没有了,叶片背面的变化较剧烈,该工况下叶片正、背面附近的流场比较稳定。随着活动导叶相对开度继续加大,叶片附近的流场较稳定,不再有涡流产生。最后,在较大桨叶角度(桨叶角度为35°)的时候,无论活动导叶的相对开度为多少,叶片附近的流场都较稳定,叶片正背面都没有任何涡流产生,如图4f所示。此外,从图4中还可以看到,当流量很小时,叶片头部靠近轮缘处的流速是由叶片正面流向背面的,同时轮缘间隙对叶片背面的影响区域面积较大,大约占总面积的1/5,但是由速度值可以看出影响的程度是较轻的;当流量增大时,轮缘间隙对叶片正、背面的影响都有所减小,影响区域也有明显的缩小;当增大流量到一定值的时候,叶片头部的速度方向发生了明显的改变,说明叶片头部间隙处的流速是由叶片背面流向正面的,但从整体来看,轮缘间隙对叶片背面的影响比正面大。2.2.2涡流发生情况下面进一步分析不同桨叶角度和各导叶开度下的不同工况点转轮内部的流场分布,研究影响转轮内部流动的其他因素。不同桨叶角度和各导叶开度下的不同工况点流域内的流场分布是不同的。在桨叶角度相对较大的工况下,无论活动导叶的相对开度为多少,导叶出口处的流速分布都相对比较均匀;但在小桨叶角度(5°),活动导叶出口处的水流很不均匀,主要表现在接近活动导叶根部靠近下环的地方有涡流产生,同时在靠近上冠处也有很大的回流产生,并且形成死水区。这对流场的分布有很大的影响,不仅使流场受到很大的扰动、产生压力脉动,而且会进一步影响叶片进口处的流场分布和叶片上的压力分布。进一步详细分析小桨叶角度下工况的流动情况:在小桨叶角度下(桨叶角度为5°),活动导叶相对开度为22%左右时,活动导叶根部有明显的涡流产生,并且随着流量和转速的增大,该处涡流的尺寸和大小都随着增大;同时该处的脱流对流场内流态的影响也越来越大,对流场内水流的扰动也越来越大。在同一小桨叶角度下,活动导叶相对开度增大到33%时,该处水流的不均匀性就有了很大的改善,在小流量和低转速的情况下,没有涡流产生,只有当流量和转速增大到一定的时候在该处才有较小的涡流产生。分析涡流产生的原因:在小桨叶角度下,引起涡流主要是活动导叶开度较小,活动导叶与桨叶角度之间不一致、不匹配,在协联关系遭到破坏的情况下产生的;其次是流量和转速的影响,流量和转速的增大使得涡流对流场的扰动能力增强,该处涡流的产生会进一步影响活动叶片进口的水流,导致水流流态的破坏。2.2.3转速和转速对间隙处过流量的影响本文为了对轮缘间隙处的流动特性进行分析研究,轴流转桨式水轮机数值模型间隙的相对大小取为0.5%。轮缘间隙处的流线分布如图5所示。在流量和转速较小时,间隙处的水流均是由叶片正面流向叶片背面;当流量和转速增大到一定值时,在靠近轮缘叶片头部的水流是叶片背面流向叶片正面,在此后均是由叶片正面流向叶片背面的。在小桨叶角度下,间隙处的过流量较小,随着桨叶角度的增大,间隙处的过流量增大。除此之外,在同一桨叶角度和同一导叶开度的匹配下,随着流量和转速的增大间隙处的过流流量也随之增大,产生的涡流脉动也有所增大,对叶片正、背面的压力场分布也影响较大。3流场的发生和发展本文对含轮缘间隙的轴流转桨式水轮机在不同工况点的内部流动进行了数值模拟,在此基础上对计算结果进行了分析,重点有以下几个方面:(1)对不同工况下叶片正、背面上的流速分布进行分析,当流量较小的时候,叶片正面靠近轮毂处有很大的涡流产生,对流场的扰动比较大,但叶片背面的涡流很小,对流场的扰动也比较小;随着流量的增大,叶片正、背面的涡流都有所减小;当流量达