轴流式水轮机叶片空化问题研究

空化问题是一个古老却至今未被解决的难点课题之一。本项目拟采用翼型空化试验研究、模型水轮机空化试验研究、以及空化流的数值计算相结合的技术路线，研究轴流式转轮在不同工况下的叶片正背面空化形式和空化流场的结构特性，揭示转轮叶片空化流场的结构特性对机组稳定性的影响规律；通过试验和数值研究区分不同工况下产生空化的类型，研究翼型和转轮空化发生的机理和流体动力学条件，为减轻转轮内空化现象和提高水轮机的空化性能提供理论指导；建立适用于转轮内空化流模拟的数学模型，提高水轮机空化流动计算和空化性能预测的可靠性；研究得到转轮空化诱发振动噪声的机理和传播规律，为空化的在线监测和控制提供理论基础；建立低空化振动低空化噪声的水轮机水力设计理论；这些问题的深入研究与解决对提高轴流式水轮机的设计水平、推动水力机械流动理论的发展具有重要意义。

水轮机内部的空化空蚀是一种随机的、微观的、瞬时的、多相的复杂过程，是多种因素共同作用的结果。空化不仅影响水流的连续性、降低水轮机效率，还造成机组过流部件表面的破坏，缩短机组检修周期，改变水轮机内流动状态，进而影响机组的稳定性，并直接威胁机组的安全稳定运行[1]。.对于具有双重调节功能的轴（贯）流转桨式水轮机，导叶与顶盖和底环之间以及叶片与转轮室及轮毂之间均留有一定的间隙，间隙的存在使得间隙空化不可避免。在轮缘间隙内以间隙泄漏流动和泄漏涡对叶片产生空蚀破坏[2]。本项目以低水头、大流量、轴贯流式水轮机为研究背景，在以下几方面开展深入研究。.首先，对轴流式水轮机的内部流场进行系统的研究，并基于轴流式水轮机的流场特点，对其蜗壳支墩的数目、形式进行优化，并对转轮叶片进行多目标优化设计，通过对不同转轮叶片的水轮机进行内部流场及水力性能分析， 得到了叶片几何参数与水轮机运行性能、运行参数、运行范围的相互关系。.其次，以翼型为例进行水翼空化噪声性能的数值预测研究，分别以二维水翼和单列叶栅为研究对象，进行了空化流动数值模拟计算，揭示了其空化发展、演变的原因及规律，得到了空化演变过程中水翼升、阻力系数随时间的变化规律，并对不同对象间的变化规律进行了分析对比，最后对其空化噪声特性进行了探索性研究。.第三，开展了轴流式水轮机不同工况的空化及稳定性能数值分析和试验研究；阐明了轴流式水轮机的运行性能随工况变化的其流态的极大差异，揭示了大流量工况下，导叶叶道涡，柱状涡带等特殊空化现象的产生机理，及造成机组稳定性差的水力不稳定因素，以及限制水轮机的安全运行范围的原因。同时对存在铸造缺陷的转轮在运行过程中的振动特点、叶片裂纹的发展规律以及叶片变形对水轮机流动特性的影响进行详细的探讨。.最后，在考虑库区自由液面的情况下，对不同H/D1的贯流式水轮机进行了真机性能分析。探讨了实际运行时，不同水头段贯流式机组内的压力分布特点以及叶片扭矩波动规律，揭示了贯流式水轮机的空化特性及振动根源。.本项目针对轴贯流式水轮机的空化问题，采用试验和数值研究相结合的方法，详细研究过流部件几何参数对空化性能的影响，探讨水轮机空化特性随工况的变化规律，并进行空化噪声的预测，与结合真机运行条件考虑自由液面对空化及振动性能的影响，这些研究成果对于完善水轮机的设计理论、改善水轮机的空化性能、提高水力资源的利用率具有重要的意义。