軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機輪緣間隙流動及空化特性的研究

1軸流式織物輪緣間隙動態(tài)流變學(xué)特性研究的必要性由于中國河流中大部分沉積物含量較高，因此軸旋轉(zhuǎn)槳式換熱器的運行過程中車輪邊緣部容易受到沉積物侵蝕和破壞。在軸旋轉(zhuǎn)槳的蒸汽機中，葉片車輪的旋轉(zhuǎn)邊緣與車輪室之間存在一定的間隙，這間隙表明葉片頭部存在泄漏趨勢。據(jù)文獻報道，葉片頭部在漏水流量中存在嚴重的間隙浪費。上述兩種破壞形式在同一區(qū)域發(fā)生的時候是相互影響相互促進的,這就使得軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機輪緣頭部的破壞十分嚴重。電站運行的實際情況表明,在葉片的正背面輪緣頭部、轉(zhuǎn)輪室、葉片外緣和轉(zhuǎn)輪體等局部遭到嚴重的空蝕磨損破壞,嚴重影響了電站的安全運行,成為亟待解決的問題。水力機械受到空蝕和泥沙磨損破壞時,表現(xiàn)出多種破壞特征,這就說明產(chǎn)生的破壞是由空蝕和泥沙磨損的聯(lián)合作用造成的。通常輪緣間隙的大小為0.1%的轉(zhuǎn)輪直徑,這樣就使得間隙泄漏流動和泄漏渦的產(chǎn)生是不可避免的,它與輪轂的粘性作用形成了水力機械內(nèi)部復(fù)雜的渦系。在這種情況下,沙粒被附加以很大的動能,如實際水輪機運行經(jīng)驗所表明的,縫隙流動中處于嚴重的磨損條件下,其邊壁磨損較為嚴重。由于軸流式水輪機輪緣間隙內(nèi)的流動過于復(fù)雜,為了能更深入地了解這種流動過程,就需要對軸流式水輪機輪緣頭部間隙空化流動進行更進一步的研究工作。文獻已對軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機轉(zhuǎn)輪輪緣間隙的三維湍流流動進行數(shù)值模擬與試驗研究,重點分析了不同工況下軸流式水輪機輪緣間隙內(nèi)部、葉片表面和輪緣間隙泄漏流動的流速分布規(guī)律。本文將基于上述研究結(jié)果,從葉片正面頭部軸流式水輪機磨蝕最嚴重三角區(qū)的流動特點著手,闡明軸流式水輪機磨蝕機理。2葉片內(nèi)部空化機理對水輪機進行數(shù)值模擬時,本文了解到有無間隙時軸流式水輪機流動分布,以往的研究已經(jīng)清楚地說明了,在水輪機運行時間隙的存在對流場以及流速分布的巨大影響。在電站的軸流式水輪機實際運行中,轉(zhuǎn)動部件轉(zhuǎn)輪與靜止的轉(zhuǎn)輪室之間,存在有高速水流引起葉片的輪緣間隙空化。輪緣間隙存在的時候,葉片輪緣處存在泄漏流動,靠近葉片輪緣出口附近的轉(zhuǎn)輪室有泄漏渦帶,尾部有泄漏渦帶和尾渦。它們與主流相互作用,在下游間隙泄漏流動所產(chǎn)生渦帶向下曲卷、飄動,逐漸擴散,渦的強度逐步減弱。研究表明,葉片輪緣處存在的泄漏流動隨工況變化而變化。在轉(zhuǎn)輪葉片頭部進水邊輪緣處間隙泄漏流動極為復(fù)雜,對葉片、輪緣和轉(zhuǎn)輪室的作用因工況的變化而有所不同。在轉(zhuǎn)輪進口葉片輪緣處的頭部,受幾方面的作用,如轉(zhuǎn)輪主流、轉(zhuǎn)輪室與葉片的角流以及間隙泄漏流動多方面力的作用,使得該處的流動比水輪機靜止葉片的間隙泄漏流動更為復(fù)雜。圖1為葉片頭部區(qū)域的流動分布。來自葉片背面的一部分泄漏流動從間隙進入葉片的壓力面,主要造成兩種影響:一是產(chǎn)生曲卷的泄漏渦帶;二是部分主流方向的流動受間隙泄漏流動的插入,這兩者相互作用在頭部形成二次流動漩渦,二次流動漩渦核心的方向與葉片的法向一致[如圖1(b)],漩渦的形狀呈長短軸比不同的橢圓形,其長軸方向為水流方向。泄漏渦帶主要在葉片進口的正面輪緣產(chǎn)生空化,這也表明泄漏渦帶頭部對葉片正面頭部形成切削作用,泄漏渦帶尾部不構(gòu)成切削作用,對葉片正面的其他部分沒有直接影響;二次流動漩渦則使得該處的泄漏渦帶旋轉(zhuǎn)中心線的方向比背面的泄漏渦帶旋轉(zhuǎn)中心線傾角增大,結(jié)果是該處發(fā)生片狀空化和磨損的共同作用,并且本區(qū)域部位的頭部會產(chǎn)生穿透性的空化破壞。此外,頭部的輪緣區(qū)流動受工況的影響比較嚴重。在發(fā)生負轉(zhuǎn)角時,頭部的撞擊會隨單位轉(zhuǎn)速增加而增大。在協(xié)聯(lián)工況時,頭部撞擊消失,二次流動減小,磨蝕性能得到極大的改善。為了進一步了解間隙引起葉片頭部的空化發(fā)生機理,本文在上述的基礎(chǔ)上對軸流式水輪機的內(nèi)部流動進行了空化數(shù)值模擬計算,采用的空化模型是現(xiàn)在國際上比較通用的兩流體模型。兩流體模型將每一種流體都看作是充滿整個流場的連續(xù)介質(zhì),針對兩相分別寫出質(zhì)量、動量和能量守恒方程,通過相界面的相互作用(動量、能量和質(zhì)量的交換)將兩族方程耦合在一起。這種方法只需假設(shè)每相在局部范圍內(nèi)都是連續(xù)介質(zhì),不必一一引入其他人為假設(shè)。雖然兩流體模型包含的變量多,方程復(fù)雜,求解困難,但隨著計算機技術(shù)發(fā)展,兩流體模型由于其計算結(jié)果的優(yōu)越性而得到了越來越多的運用。兩流體模型的控制方程為?ρm?t+Δ?(ρmu?)=0??t(ρmu?)+Δ?(ρmu?u?)=?ΔP+Δ?[(μ+μt)Δu?]+?ρm?t+Δ?(ρmu→)=0??t(ρmu→)+Δ?(ρmu→u→)=-ΔΡ+Δ?[(μ+μt)Δu→]+13Δ?[(μ+μt)13Δ?[(μ+μt)Δu?u→]?αl?t+Δ?(αlu?)=(m˙?+m˙+)?αl?t+Δ?(αlu→)=(m˙-+m˙+)其中混合物密度和紊流粘滯系數(shù)被分別定義如下ρm=ρlαl+ρv(1?αl)μt=ρmCμk2ερm=ρlαl+ρv(1-αl)μt=ρmCμk2ε而界面之間的相互作用則由以下兩個公式來完成,這也就是兩流體的空化模型,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∞從計算的結(jié)果上看,數(shù)值模擬的結(jié)果和試驗研究所觀測到的情況還是比較吻合的。在不考慮沙粒對葉片頭部磨損的情況下,由間隙產(chǎn)生的空蝕最可能發(fā)生的區(qū)域是位于葉片頭部緊靠間隙的地方。上面我們也提到這個區(qū)域正是泄漏渦帶開始產(chǎn)生的地方,由于泄漏渦的出現(xiàn),此處的壓力大大低于其他的區(qū)域,很容易成為負壓區(qū),從而達到空化發(fā)生的條件,這也就解釋了實際運行中為什么這個區(qū)域極易遭到破壞。圖2是分別在轉(zhuǎn)輪出口壓力為0.1MPa(空化系數(shù)0.1)和0.4MPa(空化系數(shù)0.2)葉片頭部發(fā)生空化數(shù)值模擬結(jié)果。根據(jù)效率與空化系數(shù)的關(guān)系我們知道,在一般情況下效率的提高會伴隨空化系數(shù)的增大,在提高效率的同時,會造成空化程度的加劇。從圖2中得知,在不同空化系數(shù)的工況中,間隙流動造成的頭部空化也受到這一規(guī)律的影響。如果僅僅是發(fā)生空蝕,在采取一定的防護措施(如使用軟涂層)后,葉片的破壞基本上就能得到很好的抑制。事實上,無論采用何種防護措施,葉片頭部的破壞都不是能輕易消除的。這就使得我們在研究時,不能僅考慮空蝕的破壞,而要與沙粒磨損結(jié)合起來,研究它們的聯(lián)合破壞作用。3砂蝕和磨損的聯(lián)合作用3.1材料磨損的形式與影響因素有沙粒沖擊磨損材料的環(huán)境條件對材料的磨損強度有重要影響,它包括:沙粒沖角的影響,磨損作用時間的影響,沙粒沖擊到材料表面時其運動特點的影響以及空化條件的影響。其中,沖角的影響在磨損的過程中起著很重要的作用。從沙粒磨損機制上我們了解到,材料表面的磨損失重由反復(fù)變形磨損與微切削磨損兩部分的過程所構(gòu)成。而這兩種磨損過程均與沙粒的沖角有著密切的關(guān)系。在研究過程中,人們把具有一定沖擊動能的沙粒所造成的材料磨損按其作用方式分為以下兩種:(1)磨損為純變形磨損,在這種作用形式中顆粒動能的垂直分量決定材料的磨損量。(2)磨損為純切削磨損,則顆粒動能分量決定其壓入材料表面的深度。而沙粒的沖擊動能的水平分量完成切削運動,從而最終剝落材料的微體積,造成磨損量。水輪機實際材料的磨損過程中,包含微切削與變形磨損兩部分。對于不同的材料,起主要破壞作用的形式也相應(yīng)的不同。例如:對于有較高硬脆性的水輪機材料(如表面硬化鋼和高硬鑄鐵),主要為變形磨損,其最大磨損沖角接近90°。對于較高韌性的水輪機材料(如軟鋼和銅),其最大磨損沖角向小沖角方向靠近。對于軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機來說,葉片頭部在一般情況下主要承受來自正面的沙粒撞擊,材料的磨損應(yīng)以沙粒的沖擊而產(chǎn)生的變形磨損為主。具有較高韌性的材料似乎比較適合這一區(qū)域的磨損特性。但據(jù)實際觀測可以發(fā)現(xiàn),葉片頭部材料磨損最為嚴重的是頭部靠近間隙的地方,所以我們就不得不考慮間隙流動對沙粒沖角的影響了。由于間隙流動的存在,沙粒原本對葉片頭部的單一大沖角磨損受到了很大影響。間隙流動不僅造成泄漏渦帶的產(chǎn)生,還在頭部造成了靠近間隙的空化區(qū)域,使得這一區(qū)域的流動變得異常復(fù)雜。泄漏渦帶和空化現(xiàn)象都很大程度地引起沙粒沖角的變化,沙粒對材料的切削作用得到了大大加強,這也使得這一區(qū)域受到了多種破壞因素的聯(lián)合作用,破壞非常嚴重。所以我們在對葉片頭部進行保護的時候,要考慮多方面的因素,這也就要我們在研究具體問題時,應(yīng)根據(jù)水輪機的實際情況來判斷造成磨損的原因,進一步采取相應(yīng)的保護措施。3.2抗空化的機制當含沙水流中產(chǎn)生空化現(xiàn)象時,空化作用與沙粒磨損作用相互影響,過流部件表面的材料耗損是空蝕與沙粒磨損共同作用的結(jié)果。空蝕破壞的根源在于水流中產(chǎn)生初生空化空穴。當水流中含有泥沙顆粒時,顆粒中不可避免的帶有大量的氣核,易產(chǎn)生空化空穴。但空化對過流表面材料的破壞強度取決于空化空穴的破裂和失去穩(wěn)定的條件。穩(wěn)定通過的空穴并不造成材料的破壞。在葉片頭部,沙粒對葉片的撞擊是不可避免的,而由間隙引起的泄漏渦和二次流動渦帶又加強了這個區(qū)域流動的復(fù)雜性和不穩(wěn)定性,沙粒彼此之間或流道邊壁碰撞時,將形成相對于水流的加速度,在沙粒后方將形成壓力下降區(qū),有利于空化空穴的產(chǎn)生,故水中的含沙將促進空化現(xiàn)象的產(chǎn)生。在空化漩渦中空化泡由于旋轉(zhuǎn)運動的作用而被包含于漩渦核內(nèi),并隨漩渦的運動而運動。當周圍壓力迅速增加時,首先造成空化漩渦中小部分的空化泡潰滅,其所產(chǎn)生的潰滅壓力將導(dǎo)致其余空泡的相繼激烈的潰滅,產(chǎn)生巨大的沖擊壓,作用在固壁上造成嚴重的空蝕和振動。上文中已經(jīng)提到了沙粒的磨損和沖角之間具有緊密的關(guān)系,在葉片頭部由于渦帶和空化的發(fā)生,均造成局部強烈擾動,使水流中的泥沙顆粒獲得極大的附加速度,沖擊流道邊壁材料的動量大為提高,造成更快和更強烈的沙粒磨損。圖3為大修后葉片頭部與汛期過后葉片頭部狀況,從圖3(b)我們可以看到在頭部邊緣,由于受到沙粒的直接沖擊磨損,不但保護層全部被磨掉,葉片的本體也受到了比較嚴重的破壞,尤其是在頭部間隙的區(qū)域(也就是我們上面計算發(fā)生空蝕的區(qū)域),由于空蝕的出現(xiàn),與沙粒磨損的聯(lián)合作用,這個區(qū)域被破壞的極其嚴重。在葉片的上面,我們只是在泄漏渦帶和二次流動漩渦的地方發(fā)現(xiàn)片狀空蝕發(fā)生過機產(chǎn)生的破壞痕跡。由于不同材料在不同顆粒沖角下的破壞程度不一,就需要對材料的抗空化與磨損特性結(jié)合起來加以考慮。上面的現(xiàn)象說明間隙流動產(chǎn)生的空化區(qū)域及渦帶區(qū)正是造成葉片頭部磨損的主要原因,結(jié)合沙粒磨損中沖角對材料特性的關(guān)系,就使得在以后對水輪機葉片頭部進行保護的時候,要認真分析不同材料被破壞的具體因素,不能單純考慮一個方面。4間隙流動與角的關(guān)系本文闡明軸流式水輪機葉片頭部磨蝕機理。認為形成磨蝕的因素很多:磨損方面的影響因素主要是顆粒與材料之間的沖角、流速、材質(zhì),過流部件的型線,運行工況等,在具體的情況中,沙粒對材料的破壞因具體材料不同會表現(xiàn)出不同的破壞程度,主要由材料特性與破壞沖角的關(guān)系決定;而在空化破壞方面,由于軸流式水輪機轉(zhuǎn)輪葉片頭部存在間隙流動,間隙流動會引起葉片頭部的泄漏渦帶,泄漏渦帶和主流又相互作用形成二次流動漩渦,這些造成這個區(qū)域流動十分復(fù)雜并引起了頭部的空化。磨蝕的象征是魚鱗坑,呈長短軸比不同的橢