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《排灌機械工程學(xué)報》2014年第五期

1問題描述

以某電站大型混流式水泵水輪機的原型機為研究對象，并采用Pro／E三維造型軟件對其全流道進行三維幾何建模，如圖1所示．圖2為密封環(huán)的結(jié)構(gòu)簡圖，其中間隙1為上冠與頂蓋之間的密封間隙，間隙2為下環(huán)與底環(huán)之間的密封間隙．水泵水輪機主要特征參數(shù)（泵工況）：轉(zhuǎn)輪進口直徑為1920mm；轉(zhuǎn)輪出口直徑為3820mm；葉片數(shù)為9；活動導(dǎo)葉數(shù)為20；固定導(dǎo)葉數(shù)為20．表1為本次計算所選的工況點，其中，Q為流量，n為轉(zhuǎn)速，γ為導(dǎo)葉開度，H為水頭，h為揚程，nst為水輪機比轉(zhuǎn)數(shù)，nsp為泵比轉(zhuǎn)數(shù)．

2理論計算

計算水泵水輪機密封間隙泄漏，傳統(tǒng)的方法

2.1流量系數(shù)μ的確定文中所研究的水泵水輪機上、下間隙均采用迷宮密封，此類型密封系統(tǒng)的流量系數(shù)計算公式為Li為間隙的長度值；bi為間隙的寬度；fi為間隙的過流斷面面積，fi＝2πRibi；λ為計算因子，與間隙流動中的雷諾數(shù)和表面粗糙度有關(guān)，由于縫隙中的流動一般位于阻力平方區(qū)，故λ與雷諾數(shù)無關(guān)，可取λ＝004～006．文中為了能夠準確地計算泄漏量，分別取λ為004，005，006，并加以比較．因機組在水輪機與泵2種工況下密封間隙的高壓側(cè)均為泵工況下轉(zhuǎn)輪出口處，故泵工況與水輪機工況下，迷宮密封流量系數(shù)μ是同等大小的．圖3為密封間隙示意圖．圖3a為密封間隙1迷宮密封的局部放大圖，其中，l為間隙的長度，b1～b5為不同間隙的間隙寬度，r1～r5為間隙與葉輪中心的距離．將圖中所示參數(shù)代入式（2）中，可以計算出間隙1的流量系數(shù)：當(dāng)λ＝004時，μ＝03940；當(dāng)λ＝005時，μ＝03857；當(dāng)λ＝006時，μ＝03778．圖3b為密封間隙2迷宮密封的局部放大圖，其中，r1～r9為不同間隙與葉輪中心的距離；h1，h2為間隙長度．將圖中所示參數(shù)代入式（2）中，可以計算出間隙2的流量系數(shù)：當(dāng)λ＝004時，μ＝02191；當(dāng)λ＝005時，μ＝02112；當(dāng)λ＝006時，μ＝02038．

2.2間隙兩端壓力降Hm的確定間隙兩端的壓差值Hm為揚程或水頭H的一部分，對于現(xiàn)有種類的水輪機，這一部分水頭可認為是穩(wěn)定值［13］，近似按比轉(zhuǎn)數(shù)ns的范圍進行選取，即當(dāng)ns＝60～150時，Hm＝06H；當(dāng)ns＝150～250時，Hm＝08H．根據(jù)表1，在泵和水輪機2種工況下，機組比轉(zhuǎn)數(shù)的變化范圍在60～150，故取Hm＝06H．23過流斷面面積Fm的確定對于迷宮密封間隙，F(xiàn)m代表間隙進口處的過流斷面面積，由此可以計算出間隙1的過流斷面面積Fm＝131760310mm2；間隙2的過流斷面面積Fm＝62020501mm2．

3CFD數(shù)值計算

應(yīng)用CFX軟件對含有密封間隙的水泵水輪機全流道模型進行數(shù)值模擬，通過對間隙1，2進、出口截面上的流量監(jiān)測，得出間隙1，2的泄漏量具體數(shù)值．

3.1網(wǎng)格的劃分對于密封間隙流動的數(shù)值模擬，難點在于網(wǎng)格的劃分．由于密封間隙內(nèi)的液體流動不是孤立的，與轉(zhuǎn)輪內(nèi)部的液體流動有著密切的關(guān)系，因此將其單獨計算不能正確地模擬出其內(nèi)部流動狀態(tài)，但整體計算時，面臨著小尺度網(wǎng)格與大尺度網(wǎng)格過渡的問題．為了更好地解決此問題，文中應(yīng)用ICEM軟件，采用分塊網(wǎng)格技術(shù)對整體模型進行了全流道六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，整體網(wǎng)格數(shù)3．92×106，網(wǎng)格節(jié)點數(shù)4．2×106．在轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)葉之間添加一道圓周過渡層，以便進行間隙與機組之間的過渡連接，小尺度網(wǎng)格與大尺度網(wǎng)格之間的過渡生長率為12．同時，為了滿足計算對近壁網(wǎng)格的要求，對導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪近壁處進行了加密，具體網(wǎng)格如圖4所示．

3.2求解方法及邊界條件考慮到密封間隙和轉(zhuǎn)輪室的壁面彎曲程度較大，會造成其內(nèi)部流線較大的彎曲，為了更好地處理這種高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動，文中采用RNGk－ε模型［14］與連續(xù)性方程、N－S方程構(gòu)成封閉方程組．根據(jù)體積流量給定相應(yīng)的質(zhì)量流量作為進口邊界；出口邊界為壓力出口；壁面采用無滑移壁面邊界；對于密封環(huán)與機組通過導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪之間過渡層連接，過渡層與導(dǎo)葉、密封環(huán)之間的邊界條件設(shè)置成None，過渡層與轉(zhuǎn)輪之間的邊界條件設(shè)置為FrozenRotor．收斂標準：當(dāng)間隙1和間隙2的進、出口截面上的流量大小相等并且泄漏量不隨計算步長的增加而發(fā)生變化時，認為本次計算已收斂．

4計算結(jié)果及分析

圖5為CFD數(shù)值模擬預(yù)測結(jié)果與已有原型機性能試驗結(jié)果對比圖．從圖中可以看出，應(yīng)用CFD數(shù)值方法預(yù)測的機組性能曲線與試驗方法得到的性能曲線之間的吻合度較高，各項性能曲線之間的偏差小于16％，驗證了文中采用的CFD數(shù)值模擬方法對機組性能預(yù)測的可行性、正確性．圖6為迷宮密封處速度矢量圖．由圖可以看出迷宮密封的減壓過程：密封間隙處的液體速度較高，液體的壓力能向動能進行轉(zhuǎn)換，高速的液體在間隙出口處較大空間內(nèi)形成渦流，使得液體渦損增大，各級密封間隙依次重復(fù)上述過程，最終達到降低液體壓強的目的．圖7為機組分別在泵和水輪機工況下間隙1，2泄漏量曲線圖．由圖可知，由CFD數(shù)值模擬與理論方法計算出的泄漏量q隨工況變化的趨勢大致相同，2種方法計算分析所得的機組泄漏量的最大差值在255％范圍內(nèi)；間隙1處2種方法計算所得出的結(jié)果較為一致，而間隙2處則偏差較大，泄漏量最大偏差小于10％，個別工況點處，此2種方法計算分析所得泄漏量的大小基本相同，曲線基本重合．因此可以得出，對于機組泄漏量計算的理論方法和CFD數(shù)值方法具有一致性，這也說明了2種計算方法具有一定的準確性，并且從側(cè)面驗證了理論方法中Hm的估算值在合理的范圍之內(nèi)，同時還可以看出密封間隙內(nèi)的泄漏量會隨著間隙長度、寬度變化而相應(yīng)增大或減小，也會隨著迷宮密封齒數(shù)增多以及間隙形狀復(fù)雜程度增加而變小．與此同時，理論計算與CFD數(shù)值模擬2種方法所得出的泄漏量的大小會有較大的偏差，理論計算的精確性也會由此下降．

在使用傳統(tǒng)方法進行理論計算時，所用到的流量系數(shù)取決于經(jīng)驗參數(shù)λ的取值，并沒有一個具體的規(guī)定和標準的原則，只能依靠人為經(jīng)驗在004～006范圍內(nèi)進行隨機選取，這就使得流量系數(shù)的大小具有較大的不穩(wěn)定性以及不確定性，最終導(dǎo)致計算出的泄漏量的值也不是很準確．如圖7所示，當(dāng)λ分別選取004，005，006不同數(shù)值時，通過公式所計算出的泄漏量的理論值出現(xiàn)較大的波動，最大差值可達122％，這說明使用理論方法計算泄漏量的大小具有一定程度的盲目性和隨機性；CFD數(shù)值方法計算出的間隙泄漏量是唯一的，具有較強的明確性．在計算間隙兩端的壓力差值大小時，傳統(tǒng)理論方法是以過往大量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用比轉(zhuǎn)數(shù)的大小進行壓力差值的經(jīng)驗計算，這種方法只能簡略粗糙地估算出壓力降的值，不能非常精確地表達出在變工況下間隙兩端壓力降的分布規(guī)律，特別是在同一水頭、不同導(dǎo)葉開度下的水輪機工況，如圖7c，d所示．可以看出，變工況下由理論計算所得出的間隙兩端壓力降的值是相等的，從而使得泄漏量曲線為一條近似水平的直線；而CFD數(shù)值模擬的泄漏量曲線則是一條隨著流量的增大而逐漸上升的曲線．因此，可以得出結(jié)論：變工況下間隙兩端的壓力降的大小是波動的，且呈現(xiàn)出隨流量的增大而逐漸上升的規(guī)律．當(dāng)機組實際運行時，隨著導(dǎo)葉開度的增大，流量固然也會增大，機組內(nèi)部壓力場也會隨之變化，而機組的泄漏量不會固定不變．因此，理論計算法對泄流量的計算是不夠準確的，只是給出了泄漏量的一個定性的變化范圍，而CFD數(shù)值方法卻得出了泄漏量變化與流量變化之間的規(guī)律，較為準確地描述了機組的泄漏問題．對比泵工況下（見圖7a，b）和水輪機工況下（見圖7c，d）可以看出，2種工況下CFD數(shù)值模擬的間隙1的泄漏量都比理論計算值略小，其泄漏量曲線與λ＝006的曲線較為接近；而數(shù)值模擬的間隙2的泄漏量卻較理論計算值略大，其泄漏量曲線與λ＝004的曲線較為接近．據(jù)此，可以歸納出參數(shù)λ選取的大體原則，即對寬度較小、長度較大、密封齒數(shù)較多且形狀較為復(fù)雜的密封間隙，λ應(yīng)取較小值004；反之，λ應(yīng)取較大值006．

5結(jié)論

基于六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，應(yīng)用CFX軟件對含密封間隙的水泵水輪機全流道模型進行數(shù)值模擬，計算出的各項性能指標與試驗性能指標吻合度較高，驗證了數(shù)值方法對水泵水輪機間隙泄漏問題研究的可行性．1）基于RNGk－ε湍流模型的CFD數(shù)值方法可以用來模擬計算迷宮間隙泄漏的問題，且能夠較為準確地預(yù)測水泵水輪機泄漏量的大小，從而得到機組泄漏量隨工況變化的規(guī)律．2）基于含密封間隙的整機全流道數(shù)值模擬，考慮了機組的容積損失，提高了計算精度，可以更為準確地預(yù)測機組性能．3）應(yīng)用理論方法對間隙泄漏量進行計算時，準確度會隨著機組泄漏裝置流量系數(shù)μ的減小而降低，因此，對于流量系數(shù)較小的可逆式水泵水輪機組，理論計算方法是不能對其泄漏量進行準確預(yù)測的．4）在等水頭、變出力的水輪機工況下，水泵水輪機的泄漏量隨流量的增大而增大；在變揚程、變出力的水泵工況下，水泵水輪機的泄漏量具有隨揚程的升高而增大的趨勢．5）CFD數(shù)值模擬法能夠較好地指導(dǎo)理論方法計算泄漏量，通過對CFD數(shù)值模擬結(jié)果的分析，可以總結(jié)出經(jīng)驗參數(shù)λ選取的大體原則，為其選取提供參考．

作者：敏政梁昌平董志強劉殿興覃大清魏顯著單位：蘭州理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院水力發(fā)電設(shè)備企業(yè)國家重點實驗室