超高水头六喷嘴冲击式水轮机磨蚀机理研究及预测

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我国蕴藏着丰富的水力资源,是水力发电大国。当前中东部中水头水力资源开发程度已较高,相应混流式水轮机等建造设计技术也日趋完善。但中西部地区所蕴含丰富的高水头水力资源仍待开发。受当地地理环境影响,其水质较差泥沙含量大,高速水流裹挟泥沙不断冲击喷针、喷嘴、水斗等精密部件会导致水力效率下降,造成经济损失及部件频繁更换等问题,因此探究二次流影响下六喷嘴冲击式水轮机磨蚀现象,分析磨蚀机理有利于更清楚认识颗粒对不同部件及相同部件不同位置破坏的形成原因,据此制定相应防磨措施用以延缓颗粒对相应部件的磨蚀损坏,增加机组运行可靠性。本文针对上述问题,运用欧拉-拉格朗日方法对超高水头冲击式水轮机进行气液固三相流数值模拟研究,探究颗粒直径及浓度对冲击式水轮机磨蚀影响,主要内容如下:(1)在最优喷针开度下,选取了三个相邻单位转速工况进行了气液两相流数值模拟研究,以效率为目标进行了外特性试验对比验证,最优开度工况下效率误差为1.72%并据此选出最优转速,验证了数值模拟的准确性。同时复现了给水机构中二次流现象,证明了由二次流所导致的速度与涡量不对称分布始终存在于给水机构中并一直延续至射流射出喷嘴。(2)把颗粒视为输运相,在气液两相流基础上加入固体颗粒,运用欧拉-拉格朗日方法进行气液固三相流数值模拟,分析颗粒直径及浓度对喷针及喷嘴磨蚀影响,发现颗粒浓度与磨蚀程度成正比,颗粒直径越小进入各喷嘴的质量流率就越均匀,对喷针和喷嘴所造成的平均磨蚀率及最大磨蚀率就越高,磨蚀位置也越容易靠近口环处,相应磨蚀速度也就越高。任意工况下,颗粒对喷针头部磨损冲击角度大多为2°-5°划伤,对喷嘴磨蚀角度大多为2°-10°的划伤。此外模拟结果与实测结果均显示标准工况下颗粒会对6号喷嘴内侧造成一处严重划伤,目前从国内外文献调研情况看,这是多喷嘴水轮机在二次流作用下特有的结果,从而进一步验证了数值模拟的准确性。(3)进一步分析颗粒直径及浓度对水斗磨蚀影响,发现标准工况下磨蚀最严重位置在射流与水斗进行充分动量交换的时候,主要磨蚀位置在水斗分水刃、水斗分水刃两侧、水斗分水刃尖端背面及水斗凹陷处。颗粒直径越大射流冲击到水斗上后对颗粒裹挟影响作用就越小,对水斗磨蚀程度就越严重,所造成的冲击角度和冲击速度也越大。颗粒浓度与水斗磨蚀程度成正比。
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