混流式水轮机转轮在含沙水中的泥沙磨损分析
张绒 张丹摘要了预测混流式水轮机轮含沙水磨损情况利用X流体分析软件以泥沙和水介质选取了不泥沙粒径和泥沙浓对导叶开0°水轮机进行了固液两相流数值计算并通计算所得到泥沙体积分数分布图对不工况下轮泥沙磨损情况进行分析。
结表明不泥沙粒径和泥沙浓下轮区域泥沙体积分数随着泥沙粒径、浓增而增磨损程也逐渐增强。
叶片工作面出水边靠近上冠处和进水边靠近下环处叶片背面出水边靠近上冠处容易遭受泥沙磨损破坏。
br rr r br r rb rr r r X l l r k r l r rl z r r rl ll llq l rl rb 0° g v g gr lz rr r r r rg ll vl r rb rl r r rl z r vl r rr r r r rl z r gr r grll r r l g bl rkg r l r r r l g l lr rg ll r l g bk r bl l r r r l g b l关键词混流式水轮机;X;固液两相流;泥沙磨损K r r rb;X;llq l; r图分类V73 献标识码 編0063（00）06600 引言然界水流常夹带着悬浮泥沙、固体颗粒及其他杂质。
我国是多泥沙河流国河水含沙量特别再加上近几十年现代工业和城市规模不断扩沿江河流域植被覆盖率不断降低土质逐渐变松水土流失问题越越严重造成江河水泥沙量急剧增加。
据统计我国已运行座型电已有0%水轮机组遭受泥沙磨损危害每年因磨蚀破坏而停止和检修引起电能损失达亿k以上[]。
般对泥沙磨损研究主要是从泥沙特性、泥沙含量、材性质等方面考虑国外研究者固液两相流基础上对泥沙磨损问题也开展了量研究。
国外 K等[]通试验研究泥沙、硬、水流速等参数对水轮机性能和效率影响并提出了相应补救措施。
k R等[3]基粘性流拉格朗日方法对混流式水轮机部件进行侵蚀预测并进行现场试验。
B 等[]提出了种改进验关系式研究混流式水轮机流道泥沙侵蚀通与现场试验测量结相比较发现改进冲蚀模型计算结与前人研究和试验结基致。
国齐学义等[5]采用软件含沙水流条件下以比速50混流式水轮机模型研究对象分析了水轮机两列导叶相对位置对活动导叶磨蚀影响。
张广等[6]应用固液两流体多相流动模型对不泥沙介质条件下水轮机轮通道流动进行数值研究。
刘兵[7]基两流体模型建立了固液两相流kε双方程湍流模型数值预测了水轮机固液两相流流动特性和颗粒对流部件磨损率。
胡全友等[8]采用RG kε湍流模型和混合多相流模型针对混流式水轮机全流道不开下含沙水流两相流动部流场进行数值模拟分析长短叶片轮和常规轮两相流动机理及不轮泥沙磨损状况。
以上研究基础上基RG kε湍流模型利用X对不沙粒直径及不沙粒浓下水轮机部沙水流动进行了三维湍流定常计算并根据泥沙轮叶片上分布情况详细分析了泥沙对轮所造成磨损位置及磨损程并总结出相应规律水轮机防护及轮叶片优化设计提供了定参考。
数学模型 控制方程流体动力学控制基方程包括连续性方程、动量方程及能量方程。
3 计算模型及边界条件针对某电某型混流式水轮机研究对象根据水轮机基参数及二维设计图建立了原型水轮机全流道三维计算模型原型机基参数见表。
水轮机流道计算模包括蜗壳、导叶、轮及尾水管部件水轮机整体流道模型如图所示。
模型完成要进行格划分由水轮机结构复杂所以采用非结构格划分方法计算域格单元总数55985。
水轮机进口选择速进口边界速由蜗壳进口流量和蜗壳断面面积计算得出速方向与进口断面正交且向。
尾水管出口面采用压力出口边界压力值由水轮机吸出高确定。
除了进口和出口外其余设置面被设置ll固体壁面采用无滑移边界条件近壁区流动采用标准壁面函数确定。
计算结与分析 泥沙粒径对轮磨损影响节主要研究了泥沙粒径与轮区域磨损量关系所以泥沙体积浓3%情况下对泥沙粒径00、0、05三种工况进行了数值模拟并根据计算结分析轮磨损情况从图图3看出叶片工作面和背面泥沙体积浓由叶片出水边靠近上冠处向靠近下环处逐渐减。
对叶片工作面整叶片表面都有泥沙分布随着泥沙粒径变表面泥沙体积分数梯也逐渐增多叶片进水边靠近下环处和出水边靠近上冠处泥沙浓比较高泥沙磨损程比较严重。
对叶片背面随着泥沙粒径增泥沙主要集分布出水边靠近上冠处进水边周围低泥沙浓区域也逐渐变特别是粒径泥沙工况进水边附近基没有泥沙所以泥沙对叶片背面磨损主要发生出水边靠近上冠附近区域其他区域磨损程相对较。
压力和科氏离心力作用下泥沙颗粒偏向叶片工作面运输使得叶片工作面泥沙浓高叶片背面泥沙磨损程也比背面严重。
随着泥沙粒径增叶片工作面驻泥沙体积分数逐渐增泥沙粒径下叶片表面泥沙体积分数值仅36%粒径工况叶片泥沙体积分数高达9%说明泥沙粒径比泥沙粒径更容易对叶片工作面造成严重磨损破坏。
泥沙浓对轮磨损影响选择泥沙粒径0分别对泥沙浓05%、%、3%、5%、7%、0%六种工况进行了数值模拟并根据计算结分析轮各部件磨损情况。
从图、图5不泥沙浓下叶片表面泥沙体积分数分布图可以看出叶片工作面出水边靠近上冠处及进水边靠近下环处泥沙体积分数较高磨损较其他区域严重。
叶片背面泥沙分布比较有规律泥沙体积分数由出水边靠近上冠处向靠近下环处逐渐减。
出水边靠近上冠处泥沙体积分数磨损严重叶片进水边泥沙体积分数磨损程也。
随着泥沙浓增叶片工作面和背面泥沙体积分数逐渐增叶片磨损程也越严重。
相泥沙浓条件下叶片工作面泥沙体积分数高叶片背面泥沙体积分数说明叶片工作面比叶片背面更容易遭受泥沙磨损破坏。
3 结论主要以水和泥沙介质对不泥沙粒径和不泥沙浓工况下水轮机进行数值模拟通对比分析不工况下轮每部件压力云图和泥沙体积分数分布图得到了水轮机轮部泥沙流动规律并预测了轮发生泥沙磨损位置和磨损程水轮机轮防护提供参考依据。
具体结论如下①工况条件下轮各部件泥沙体积分数区域分别上冠面靠近叶片工作面侧出水处附近;下环靠近叶片工作面侧进水处附近;叶片工作面出水边靠近上冠处和进水边靠近下环处;叶片背面出水边靠近上冠处。
这些区域相对其他区域磨损程更严重。
②不泥沙粒径下轮各部件压力分布变化不压力值随着泥沙粒径增呈先增减趋稳定变化规律。
叶片磨损主要集分布叶片出水边靠近上冠处和叶片进水边靠近下环处等局部区域。
参考献[]顾四行水轮机磨蚀成因探讨[]电机技术99（）756[] K R Rv l r r rb[] Rbl bl rg Rv 008（） 97987[3]k R r Lg rl r r g v lbr l rl rb [] r 999 33 68569[] Br g Bl lg l G rl llg r r rb [] rg 0（） 38639[5]齐学义周慧利高志远含沙水流水轮机两列导叶相对位置对活动导叶磨损影响[]兰州理工学学报0339（）37[6]张广魏显著泥沙浓及粒径对水轮机轮部流动影响数值分析[]农业工程学报030（3）900[7]刘兵程良俊固液兩相流kε双方程湍流模式及水涡轮机械流场应用[]四川工程学院学报995（）7686[8]胡全友刘兵赵琴基两相流动理论混流式水轮机叶轮泥沙磨损数值模拟[]水电能科学063（7）8386 相关热词 水轮机轮泥沙