水泵水轮机的泄漏量计算与分析
水泵水轮机的泄漏量计算与分析
混流式水泵水轮机的比转数较低,而工作水头又较高,它的密封系统泄漏量的值直接影响机组的
能量特性. 因为泄漏量的大小决定了机组的容积损失,而且泄漏会使密封腔内产生较大的压强,从
而影响整个机组的稳定性能[1],同时它还是选择机组顶盖排水方式的重要参考依据,因此对机组
泄漏量的计算是必要的. 在机组处于工作状态时,使用传统的试验方法对泄漏量进行测量非常困
难. 传统方法一般依据相关理论,采用经验参数对其泄漏量进行计算,但这种方法对经验参数的依
赖程度较高,并且计算的准确度较低.
目前 CFD 技术已成为水泵水轮机性能研究的一种重要方法. 王焕茂等[2]应用数值方法对水泵水
轮机的驼峰区进行了模拟,并初步分析了驼峰区形成的原因; 刘锦涛等[3] 应用 RNG k - ε 湍流模
型对水泵水轮机在空载开度下的压力脉动进行了计算分析,对导致压力脉动的主要因素进行了说
明; 张兰金等[4]、刘竹青等[5]、肖若富等[6]、纪兴英等[7]应用数值方法对水泵水轮机"S"特性
方面的问题进行了研究; 尹俊连等[8] 分别采用 URANS 和DES 方法对水泵水轮机泵工况小流量
区的压力脉动情况进行了计算, 同时对比分析了 2 种计算方法. 然而,目前针对水泵水轮机密封间
隙泄漏问题的研究还很少,大量的密封泄漏问题往往以单独的密封间隙为研究对象,例如: Tong
等[9] 利用 CFD 数值模拟技术和传统试验方法对迷宫密封间隙泄漏现象进行了模拟和对比分析,
对不同类型、不等间隙值的间隙流动进行了对比分析, 验证了 CFD 数值方法的准确性; Jeffrey 等
[10] 通过试验证明 CFD 数值模拟法描述间隙泄漏问题的可行性和准确性; 王炜哲等[11] 对2 种
不同齿形位置的间隙流动进行了数值模拟,并对各自的密封性能进行了数值分析. 以含密封间隙
的水泵水轮机全流道为对象,进行间隙泄漏方面的研究还存在着较大空缺. 文中分别采用理论公
式法和 CFD 数值模拟法对水泵水轮机的泄漏量进行计算,并对计算结果进行分析.
1 问题描述
以某电站大型混流式水泵水轮机的原型机为研究对象, 并采用 Pro/E 三维造型软件对其全流道进
行三维几何建模, 如图 1 所示. 图2 为密封环的结构简图, 其中间隙 1 为上冠与顶盖之间的密封间
隙, 间隙 2 为下环与底环之间的密封间隙. 水泵水轮机主要特征参数( 泵工况) : 转轮进口直径为 1
920 mm; 转轮出口直径为 3 820 mm; 叶片数为 9; 活动导叶数为 20; 固定导叶数为 20. 表1 为本次
计算所选的工况点,其中,Q 为流量,n 为转速,γ 为导叶开度,H 为水头,h 为扬程,nst 为水轮机比转
数,nsp 为泵比转数.
2 理论计算
计算水泵水轮机密封间隙泄漏,传统的方法是利用已有的圆管阻力系数,通过式( 1) 对泄流量 q进
行求解[12]:
式中: μ 为流量系数; Hm 为间隙两端的压力降; Fm 为间隙的过流断面面积.
2. 1 流量系数 μ 的确定
文中所研究的水泵水轮机上、下间隙均采用迷宫密封,此类型密封系统的流量系数计算公式为
式中: Li 为间隙的长度值; bi 为间隙的宽度; fi 为间隙的过流断面面积,fi= 2πRibi; λ 为计算因子,
与间隙流动中的雷诺数和表面粗糙度有关,由于缝隙中的流动一般位于阻力平方区, 故λ 与雷诺
数无关, 可取λ = 0. 04 ~ 0. 06. 文中为了能够准确地计算泄漏量, 分别取λ 为0. 04,0. 05,0. 06,并加
以比较.
因机组在水轮机与泵 2 种工况下密封间隙的高压侧均为泵工况下转轮出口处,故泵工况与水轮机
工况下, 迷宫密封流量系数 μ 是同等大小的.
图3 为密封间隙示意图.
图3a 为密封间隙 1 迷宫密封的局部放大图,其中,l 为间隙的长度,b1~ b5 为不同间隙的间隙宽
度,r1~ r5 为间隙与叶轮中心的距离. 将图中所示参数代入式( 2) 中, 可以计算出间隙 1 的流量系
数: 当λ = 0. 04 时,μ = 0. 394 0; 当λ = 0. 05 时,μ = 0. 385 7; 当λ =0. 06 时,μ =0. 377 8.
图3b 为密封间隙 2 迷宫密封的局部放大图,其中,r1~ r9 为不同间隙与叶轮中心的距离; h1,h2 为
间隙长度. 将图中所示参数代入式( 2) 中, 可以计算出间隙 2 的流量系数: 当λ = 0. 04 时,μ = 0.
219 1; 当λ = 0. 05 时,μ = 0. 211 2; 当λ = 0. 06 时,μ =0. 203 8.
2. 2 间隙两端压力降Hm 的确定
间隙两端的压差值Hm 为扬程或水头 H 的一部分,对于现有种类的水轮机,这一部分水头可认为
是稳定值[13], 近似按比转数 ns 的范围进行选取,即当 ns= 60 ~ 150 时,Hm= 0. 6H; 当ns= 150 ~
250 时,Hm= 0. 8H.
根据表 1, 在泵和水轮机 2 种工况下, 机组比转数的变化范围在60 ~150, 故取 Hm= 0. 6H.
2. 3 过流断面面积 Fm 的确定
摘要：
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水泵水轮机的泄漏量计算与分析混流式水泵水轮机的比转数较低,而工作水头又较高,它的密封系统泄漏量的值直接影响机组的能量特性.因为泄漏量的大小决定了机组的容积损失,而且泄漏会使密封腔内产生较大的压强,从而影响整个机组的稳定性能[1],同时它还是选择机组顶盖排水方式的重要参考依据,因此对机组泄漏量的计算是必要的.在机组处于工作状态时,使用传统的试验方法对泄漏量进行测量非常困难.传统方法一般依据相关理论,采用经验参数对其泄漏量进行计算,但这种方法对经验参数的依赖程度较高,并且计算的准确度较低.目前CFD技术已成为水泵水轮机性能研究的一种重要方法.王焕茂等[2]应用数值方法对水泵水轮机的驼峰区进行了模拟...
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作者：闻远设计
分类：土木建筑化工水利
价格：免费
属性：9 页
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时间：2024-05-14
