水轮机空化系数的动态测定

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1、第25卷第1期西华大学学报·自然科学版2006年1月Vol.25，No.1JournalofXihuaUniversity·NaturalScienceJan.2006===============================================================文章编号：1673-159X（2006）01-0050-02水轮机空化系数的动态测定卢池1，杨昌明2，陈次昌3，熊茂涛1（1.西华大学能源与环境学院；2.西华大学机械工程及自动化学院，四川成都610039；3.西南石油

2、学院，四川成都610500）摘要：水轮机叶片上的空化空蚀破坏造成水电站的频繁检修，利用计算流体力学软件Fluent对HL240型水轮机的设计工况进行数值模拟，模拟结果求出的空化系数与模型试验非常吻合。在一定的时段对机组的运行工况进行数值模拟，利用模拟结果可得到该时段叶片各个区域上的空化系数，从而判断该区域是否发生空化空蚀。把不同时段的结果进行汇总，则可以得到整个叶片上发生空化空蚀的总区域和各区域发生空蚀破坏的程度，从而对水轮机何时进行检修提供理论指导，使水电站经济效益达到最大化。关键词：水轮机；空化；数值模

3、拟；空化系数中图分类号：TK730.3+23文献标识码：A空蚀是水力机械常见的破坏方式，我国河流中点位置高程；Z为尾水管下游液面位置高程；wdM泥沙含量较高，水中含有泥沙时，空蚀常常与泥沙磨为点M相对速度；w为2点相对速度；为尾水2ηd损联合作用，导致水轮机过流部件，特别是转轮叶片管恢复系数；v2为2点的绝对速度。表面快速损坏，不仅会降低水轮机运行效率，严重时222wM-w2v2令HsEZ2-Zd；HdE+ηd甚至危及部件的结构安全。如新安江水电站4号水2g2g式中，H为静力真空（也称为吸出高度）；H为动力

4、轮机在检查时，叶片空蚀磨损破坏面积达sd真空。41321cm2，占转轮叶片总面积的1／3，破坏最深处把其代入（1）式得：达30~33mm，该电站另一台水轮机14个叶片中有PMPA7个因空蚀磨损破坏而穿孔。据不完全统计，我国E-Hs-Hd（2）pgpg1／3以上的水电装机容量（包括大、中、小水电站）的可见水轮机工作时M点的大气压为真空，其水轮机过流部件都遭受到不同程度的空蚀、磨损损真空值由静力真空和动力真空两部分组成。静力真坏，以致水轮机出力不足，寿命缩短，效率下降，运行空值与水轮机的安装高程和下游尾水位有关

5、，与水可靠性差，每年因发电损失和部件维修、更换的费用轮机本身的性能无关；而动力真空与水轮机本身的高达几十亿元［1］。性能和运行工况有关。因此，通常采用动力真空的1空化系数相对值，即空化系数来表示水轮机的空化性能。空化系数的计算公式为：1.1水轮机的空化系数222水轮机转轮中压力最低点出现在叶片背面靠近HdwM-w2v2σEE+ηd（3）出口的地方，设压力最低点为M点，2点为叶片出H2gH2gH式中，σ为水轮机空化系数；H为水轮机工作水头。口处。要保证水轮机不发生空化，M点的压力PM1.2水轮机装置的空化系数

6、必须大于该水温下的汽化压力P。P可由下式vaM水轮机的空化系数σ为内空化指标，而水轮机求得：装置的空化系数σ则是外空化指标。其表达式为：p222PMPAwM-w2v2E-（Z2-Zd）-（+ηd）（1）PAPvapgpg2g2g-Hs-式中，P为M点的压力；P为大气压力；Z为2σpEpgpg（4）MA2H收稿日期：2005-05-24基金项目：国家自然科学基金项目（编号：90410013）作者简介：卢池（1982-），男，河南省桐柏县人，西华大学能源与环境学院硕士研究生，研究方向：流体机械流场数值模拟。第1

7、期卢池等：水轮机空化系数的动态测定51水轮机不产生空化的条件为：σ≤σ。由于水p轮机的空化系数σ是通过进行模型试验确定的，而我们需要判断的是原型机是否发生空化，考虑到模型与真机之间的尺寸不同、制造精度不同等因素的影响，应取安全系数"σE1.1~1.4，不同的机组应根据自己的实际情况选取该取值［2］。此时，水轮机σp不产生空化的条件应为：>Kσσ2水轮机空蚀的数值模拟笔者利用计算流体力学软件Fluent对HL240型水轮机的转轮如表1所设计工况下，进行了空化流的数值模拟，为了更接近实际情况在对转轮进行数值模拟

8、的时候加入了活动导叶。利用图3水轮机叶片的压力分布图Gambit对活动导叶和转轮进行网格划分，结果如各个区域的压力值（相对压力）见表2。图1、图2。表2叶片各个区域的压力值区域代码1234567压力值（Pa）-59100-41200-31900-5750122002140072800区域代码8910111213压力值（Pa）990001250001510001690001780002040003空化系数的测定由（