密封间隙对混流式水轮机稳定性影响的数值模拟

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针对我国某电站混流式水轮机因密封间隙引起的机组振动问题,采用计算流体动力学软件CFX,基于N-S方程和RNGκ-ε湍流模型,将含密封间隙的原型水轮机进行了全流道的定常、非定常数值计算,主要成果包括以下几部分:通过对原型水轮机定常流动计算,发现密封间隙的泄漏量和机组轴向水推力在同一出力工况下与密封间隙值有关,间隙值越大,泄漏量和机组轴向水推力越大。在同一间隙值下,密封间隙的泄漏量和机组轴向水推力随出力的增加而增大,其增大的幅度与密封间隙值密切相关。分析了密封间隙值对水轮机稳定流场的影响。密封间隙对转轮前流场有明显的扰动作用,这种扰动作用受密封间隙值和位置的影响。越小的间隙值扰动作用越强烈,越靠近间隙进、口扰动效果越明显。密封间隙对尾水管的影响主要在靠近尾水管进口边壁区,随着密封间隙值的加大,尾水管进口边壁附近的压力分布得以改善。对比了不同密封间隙值的流场分布,得出密封间隙进口轴向平均压力变化与间隙值有关,小间隙值时平均压力轴向梯度大,流场不稳定。密封间隙压力腔内压力分布沿径向成梯级减小趋势,这种趋势仍然与密封间隙值有关。对原型水轮机几个典型工况进行了非定常计算。探讨了密封间隙值对机组压力脉动的影响。在密封间隙内得到了与现场试验测得机组振动主频接近的压力脉动频率,证明原型水轮机的振动是由密封间隙内的压力脉动引起的,并对机组振动的解决方案进行了验证。将所计算结果与现场实验对比后得出:转轮密封间隙值与机组匹配存在着稳定区和非稳定区的概念。所以在机组设计时需要对转轮密封间隙值的大小进行综合考虑,避免密封间隙匹配不合理引起的振动问题,以保证机组安全稳定的运行。
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