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混流式水泵水輪機(jī)泄漏量的計(jì)算范文

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混流式水泵水輪機(jī)泄漏量的計(jì)算

《排灌機(jī)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(jī)的原型機(jī)為研究對象,并采用Pro/E三維造型軟件對其全流道進(jìn)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(jī)主要特征參數(shù)(泵工況):轉(zhuǎn)輪進(jìn)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(jì)算所選的工況點(diǎn),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(yáng)程,nst為水輪機(jī)比轉(zhuǎn)數(shù),nsp為泵比轉(zhuǎn)數(shù).

2理論計(jì)算

計(jì)算水泵水輪機(jī)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(jī)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(jì)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(jì)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(zhǔn)確地計(jì)算泄漏量,分別取λ為004,005,006,并加以比較.因機(jī)組在水輪機(jī)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(jī)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(jì)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(jì)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(yáng)程或水頭H的一部分,對于現(xiàn)有種類的水輪機(jī),這一部分水頭可認(rèn)為是穩(wěn)定值[13],近似按比轉(zhuǎn)數(shù)ns的范圍進(jìn)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(jī)2種工況下,機(jī)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(jìn)口處的過流斷面面積,由此可以計(jì)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(jì)算

應(yīng)用CFX軟件對含有密封間隙的水泵水輪機(jī)全流道模型進(jìn)行數(shù)值模擬,通過對間隙1,2進(jìn)、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(diǎn)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(dú)計(jì)算不能正確地模擬出其內(nèi)部流動狀態(tài),但整體計(jì)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(jìn)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(diǎn)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(jìn)行間隙與機(jī)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(jì)算對近壁網(wǎng)格的要求,對導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪近壁處進(jìn)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(jìn)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(jī)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(biāo)準(zhǔn):當(dāng)間隙1和間隙2的進(jìn)、出口截面上的流量大小相等并且泄漏量不隨計(jì)算步長的增加而發(fā)生變化時,認(rèn)為本次計(jì)算已收斂.

4計(jì)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(jī)性能試驗(yàn)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(jī)組性能曲線與試驗(yàn)方法得到的性能曲線之間的吻合度較高,各項(xiàng)性能曲線之間的偏差小于16%,驗(yàn)證了文中采用的CFD數(shù)值模擬方法對機(jī)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(jìn)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(dá)到降低液體壓強(qiáng)的目的.圖7為機(jī)組分別在泵和水輪機(jī)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(jì)算出的泄漏量q隨工況變化的趨勢大致相同,2種方法計(jì)算分析所得的機(jī)組泄漏量的最大差值在255%范圍內(nèi);間隙1處2種方法計(jì)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(diǎn)處,此2種方法計(jì)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(jī)組泄漏量計(jì)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(jì)算方法具有一定的準(zhǔn)確性,并且從側(cè)面驗(yàn)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(jì)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(jì)算的精確性也會由此下降.

在使用傳統(tǒng)方法進(jìn)行理論計(jì)算時,所用到的流量系數(shù)取決于經(jīng)驗(yàn)參數(shù)λ的取值,并沒有一個具體的規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)的原則,只能依靠人為經(jīng)驗(yàn)在004~006范圍內(nèi)進(jìn)行隨機(jī)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(jì)算出的泄漏量的值也不是很準(zhǔn)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(jì)算出的泄漏量的理論值出現(xiàn)較大的波動,最大差值可達(dá)122%,這說明使用理論方法計(jì)算泄漏量的大小具有一定程度的盲目性和隨機(jī)性;CFD數(shù)值方法計(jì)算出的間隙泄漏量是唯一的,具有較強(qiáng)的明確性.在計(jì)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(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),利用比轉(zhuǎn)數(shù)的大小進(jìn)行壓力差值的經(jīng)驗(yàn)計(jì)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(dá)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(jī)工況,如圖7c,d所示.可以看出,變工況下由理論計(jì)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(jī)組實(shí)際運(yùn)行時,隨著導(dǎo)葉開度的增大,流量固然也會增大,機(jī)組內(nèi)部壓力場也會隨之變化,而機(jī)組的泄漏量不會固定不變.因此,理論計(jì)算法對泄流量的計(jì)算是不夠準(zhǔn)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(zhǔn)確地描述了機(jī)組的泄漏問題.對比泵工況下(見圖7a,b)和水輪機(jī)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(jì)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(jì)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(jī)全流道模型進(jìn)行數(shù)值模擬,計(jì)算出的各項(xiàng)性能指標(biāo)與試驗(yàn)性能指標(biāo)吻合度較高,驗(yàn)證了數(shù)值方法對水泵水輪機(jī)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(jì)算迷宮間隙泄漏的問題,且能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測水泵水輪機(jī)泄漏量的大小,從而得到機(jī)組泄漏量隨工況變化的規(guī)律.2)基于含密封間隙的整機(jī)全流道數(shù)值模擬,考慮了機(jī)組的容積損失,提高了計(jì)算精度,可以更為準(zhǔn)確地預(yù)測機(jī)組性能.3)應(yīng)用理論方法對間隙泄漏量進(jìn)行計(jì)算時,準(zhǔn)確度會隨著機(jī)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(jī)組,理論計(jì)算方法是不能對其泄漏量進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測的.4)在等水頭、變出力的水輪機(jī)工況下,水泵水輪機(jī)的泄漏量隨流量的增大而增大;在變揚(yáng)程、變出力的水泵工況下,水泵水輪機(jī)的泄漏量具有隨揚(yáng)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(jì)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(yàn)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(qiáng)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

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