[发明专利]抑制混流式水轮机叶片背面空化的方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种抑制混流式水轮机叶片背面空化的方法。

背景技术：

空化是一种液体现象，当液体温度一定时，降低压力到某一临界 压力时，液体会汽化或溶解于液体中的空气发育形成空穴，这种现象 称为空化，它包括了空穴的初生、发育成长到溃灭的整个过程。空化 过程可以发生在液体内部，也可以发生在固体边界上。当发生在固体 边界上的空泡溃灭时，从溃灭中心将辐射出冲击压力波，这种高频的 冲击压力波作用在固体边壁时，将会对固体边壁形成破坏，这就形成 了空蚀。

水轮机中的空化和空蚀现象习惯上按空化和空蚀发生的部位来 定义的，通常可分为以下四种基本类型：

(1)翼型空化和空蚀。液体绕流翼型时，翼型背面的压力往往为 负压，当背面的低压区的压力降低到环境汽化压力以下时，将会导致 空化区的出现。在这空化区的末端将出现最严重的空蚀区并向上下游 扩展。

(2)间隙空化和空蚀。间隙空化和空蚀是当水流通过狭小通道或 间隙时引起局部流速升高，压力下降到一定程度时所发生的一种空化 和空蚀形态。

(3)局部空化和空蚀。局部空化和空蚀主要由于铸造和加工缺陷 形成表面不平整、砂眼、气孔等所引起的局部流态突然变化而造成。

(4)空腔空化。空腔空化是反击式水轮机所特有的一种漩涡空 化。由于反击式水轮机在非设计工况运行时转轮出口水流存在一定的 圆周速度分量，在该圆周速度分量的作用下，在转轮后产生涡带，涡 带中心形成很大的负压。

混流式水轮机转轮区的空蚀主要是翼型空蚀，为了混流式水轮机 在发生空化的工况下能安全稳定运行，就必须要阻止空化的发生。通 常有三类方法来防止发生空化：

一.改变叶片的翼型，使背面低压区压力达不到环境汽化压力， 从而发生不了空化；

二.通过主轴中心孔或者加装补气装置往混流式水轮机内补气的 方式，通过补气压力气体，破坏流道内的低压区，使低压区内压力达 不到环境汽化压力，从而发生不了空化；

三.加大混流式水轮机的吸出高度(混流式水轮机下游尾水位到 导叶中心线的高度，通常为负值)，使转轮内部压力增加，叶片背面 低压区压力达不到环境汽化压力，从而发生不了空化。

以上方法中，方法一对已有转轮不能改变其空化性能，方法二需 要加装补气装置，而方法三对已建电站来说很难实现。目前还没有一 种方法能够针对已建电站在不改变转轮运行条件或增加补气设备的 情况下达到消除空化的效果。

发明内容：

本发明是一种使叶片背面的压力达不到环境汽化压力，破坏空化 形成的抑制混流式水轮机叶片背面空化的方法，本发明的技术方案 为：一种抑制混流式水轮机叶片背面空化的方法，其特征是：

水力计算：通过运用商业计算流体动力学CFD软件对水轮机相 应工况进行模拟计算，计算方法为活动导叶与转轮单周期联合计算， 计算流程如下：

(1)运用商业三维造型软件对水轮机活动导叶和转轮建立全模 拟数学模型；

(2)使用商业网格划分软件对建立的活动导叶和转轮数学模型 分别进行网格划分，网格划分时采用块结构化网格；

(3)使用商业计算流体动力学CFD软件的前处理部分导入划分 好的活动导叶和转轮的网格，设置计算域的计算方程、边界条件等各 种计算参数，计算软件采用有限体积法求解流动方程，得到求解域的 流动特性，流体选不可压缩流体，其连续方程如下：

动量方程如下：

式中为平均速度

为平均压力

ρ为密度

为平均剪切力

t为时间

(4)计算求解及收敛，使用计算流体动力学软件的求解器对计算 域进行求解，计算时间步长0.005，收敛残值0.00005；

(5)计算结果分析，使用计算流体动力学软件的后处理部分导 入计算结果，对计算结果进行压力分布分析：在软件的命令窗口下使 用语句min(p)可求得叶片背面的最低压力点位置；

(6)叶片钻孔，在叶片背面计算所得压力最低点位置钻一个直 径0.003D1(D1是水轮机的标称直径)小孔，该小孔连通到叶片正 面。