射油器內(nèi)空化現(xiàn)象的分析

陳 鑫，余永生，劉 紅

（1.安徽電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，安徽合肥230601；2.清華大學(xué)熱能工程系，北京100084）

射油器內(nèi)空化現(xiàn)象的分析

陳 鑫1，余永生1，劉 紅2

（1.安徽電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，安徽合肥230601；2.清華大學(xué)熱能工程系，北京100084）

采用非定常數(shù)值模擬方法，對(duì)某型600 MW汽輪機(jī)組潤(rùn)滑油系統(tǒng)中射油器內(nèi)部的空化現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值模擬。模擬結(jié)果顯示，在喉部入口處存在間歇性空化區(qū)域，與實(shí)際空蝕區(qū)的位置非常吻合。通過(guò)分析空化產(chǎn)生過(guò)程和對(duì)應(yīng)的流場(chǎng)變化，找出了射油器內(nèi)空化現(xiàn)象形成的機(jī)理。在射油器噴嘴出口處的空化現(xiàn)象，是因高速射流形成的強(qiáng)剪切層而引起。在喉管壁面附近的空化現(xiàn)象，是由旋渦產(chǎn)生的瞬時(shí)低壓所引起。

機(jī)組；射油器；射流；漩渦；空化；數(shù)值；模擬；分析

0 概 述

射油器是汽輪機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)中的重要組件，設(shè)備的運(yùn)行性能，將直接影響潤(rùn)滑油系統(tǒng)和主油泵的油壓及流量，關(guān)系到整個(gè)潤(rùn)滑系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 射油器的結(jié)構(gòu)與空蝕現(xiàn)象

射油器的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。射油器將來(lái)自主油泵出口的高壓油通過(guò)噴嘴產(chǎn)生高速射流，由于射流的卷吸作用，在射流周?chē)a(chǎn)生一個(gè)負(fù)壓區(qū)，使大量的低壓油從油箱中被吸出后進(jìn)入混合室，高速油和低速油在喉管進(jìn)行速度交換。在喉管末端，兩者速度趨于一致，完成混合的油流經(jīng)過(guò)擴(kuò)壓管將動(dòng)能轉(zhuǎn)化成壓力勢(shì)能，實(shí)現(xiàn)小流量的高壓油向大流量的低壓油的轉(zhuǎn)化。目前，國(guó)內(nèi)300～600 MW機(jī)組所采用的射油器，常在喉管部位出現(xiàn)空蝕現(xiàn)象。射油器喉部出現(xiàn)的空蝕區(qū)域，如圖2所示。空蝕現(xiàn)象發(fā)生在喉管中段，離喉管進(jìn)口處約6～21 cm。射油器的空蝕現(xiàn)象不僅造成喉管的損蝕變薄，還影響了射油器本身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，同時(shí)，由于空蝕層的剝落，對(duì)軸頸造成威脅，在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的巨大噪聲和振動(dòng)，也對(duì)環(huán)境和其他設(shè)備造成不利影響?？梢?jiàn)射油器的空蝕問(wèn)題，已對(duì)機(jī)組的安全運(yùn)行構(gòu)成威脅。

圖1 射油器的結(jié)構(gòu)

圖2 射油器空蝕區(qū)域

液體內(nèi)部空化現(xiàn)象的研究一直是流體機(jī)械領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。對(duì)于射流空化和旋渦空化現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者開(kāi)展了許多工作，在射流空化方面：Cunningham（于1970年）對(duì)較小噴嘴和分離區(qū)域射流空化的研究表明，空化發(fā)生在射流中旋渦結(jié)構(gòu)的核心位置處，并與剪切層的波動(dòng)相關(guān)[1]。Cerutti（于2000年）結(jié)合簡(jiǎn)化的計(jì)算模型分析高雷諾數(shù)的軸對(duì)稱(chēng)射流的空化，發(fā)現(xiàn)初生空化數(shù)隨著噴嘴直徑的增大而增大[2]。龍新平（于2003年）等人對(duì)某射流泵內(nèi)不同空化階段的非定常汽液兩相空化流動(dòng)過(guò)程，進(jìn)行了數(shù)值模擬，捕捉了空泡從射流邊界層內(nèi)初生、分裂、聚合、膨脹及消失的過(guò)程[3]。在旋渦空化方面，Arndt（于1976年）研究了旋渦空化出現(xiàn)的位置，指出旋渦空化發(fā)生在剪切層內(nèi)旋渦的渦核低壓區(qū)內(nèi)[4]。Kato（于1998年）研究了旋渦空化的結(jié)構(gòu)和產(chǎn)生破滅過(guò)程，指出旋渦空化是有許多小空化泡在旋渦中心區(qū)聚集形成的[5]。王國(guó)玉，曹樹(shù)良等人研究了高速水流中旋渦空化的形成機(jī)理[6]，并研究了因旋渦空化所引起的空蝕和振動(dòng)現(xiàn)象，根據(jù)空蝕和振動(dòng)之間的關(guān)系，指出旋渦空化能引起嚴(yán)重的空蝕和劇烈的振動(dòng)[7]?，F(xiàn)采用非定常數(shù)值模擬方法，對(duì)某型600 MW機(jī)組的多孔射油器內(nèi)部空化與空蝕現(xiàn)象進(jìn)行研究，找出射油器內(nèi)空化與空蝕的起因。同時(shí)，針對(duì)射流空化和旋渦空化等現(xiàn)象，研究空化形成的過(guò)程和對(duì)應(yīng)流場(chǎng)形態(tài)的變化，探索射油器內(nèi)空化現(xiàn)象的形成機(jī)理。

2 模型的網(wǎng)格劃分與簡(jiǎn)化

數(shù)值模擬計(jì)算對(duì)幾何模型結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格數(shù)量的要求較高，通過(guò)對(duì)射油器的定常和非定常計(jì)算，發(fā)現(xiàn)高壓入口段和喉管出口流場(chǎng)較為均勻，參數(shù)變化平緩。然后，對(duì)原幾何模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，著重分析混合室、噴嘴到喉管段的流場(chǎng)，同時(shí)考慮幾何結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，對(duì)半周內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，增加一對(duì)稱(chēng)面邊界條件，如圖3所示，對(duì)簡(jiǎn)化后的模型，選取適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格數(shù)，模擬計(jì)算了該區(qū)域內(nèi)的流場(chǎng)。

圖3 射油器模型簡(jiǎn)化示意

網(wǎng)格劃分的示意圖，如圖4所示。因?qū)嶋H工程中射油器的氣蝕破壞發(fā)生在喉管段，必須重點(diǎn)關(guān)注喉管部位的空化問(wèn)題，所以，在喉管段采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并對(duì)管壁附近的網(wǎng)格進(jìn)行了加密?；旌鲜覂?nèi)有5孔高壓噴嘴及拉緊螺栓等零件，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，鑒于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格具有良好的壁面貼附效果，在混合室段選用了四面體/六面體混合型非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。網(wǎng)格利用Icem CFD生成。流體在噴嘴至喉管進(jìn)口段的流動(dòng)狀態(tài)較復(fù)雜，所以，對(duì)這些區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行了局部加密，總體上Y plus在100以下，滿足所選湍流模型的要求。劃分后各部位網(wǎng)格數(shù)，如表1所示。

圖4 射油器計(jì)算網(wǎng)格的劃分

表1 劃分后各部位網(wǎng)格數(shù)

3 數(shù)值計(jì)算方法和邊界條件

采用時(shí)間推進(jìn)的非定常計(jì)算方法，選用雷諾平均的NS方程作為控制方程，選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，近壁處流動(dòng)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理。選用Zwart空化模型，模型具體內(nèi)容可見(jiàn)文獻(xiàn)[8]。壓力和速度耦合方程采用全隱式多網(wǎng)格耦合求解。時(shí)間離散格式采用二階向后差分，時(shí)間步長(zhǎng)1 e～4 s，模擬總時(shí)長(zhǎng)0.05 s。因?yàn)檎麄€(gè)流場(chǎng)中溫度的變化不大，故可假設(shè)整個(gè)流動(dòng)過(guò)程中無(wú)熱量交換，進(jìn)出口均根據(jù)原幾何模型計(jì)算結(jié)果給定壓力分布邊界條件，在高、低壓進(jìn)口處給定總壓，在出口處給定背壓。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 空化區(qū)域描述

圖5是計(jì)算結(jié)束時(shí)刻氣相體積分?jǐn)?shù)10-3等值區(qū)域圖，可看出發(fā)生空化的區(qū)域主要有兩部分：一部分是噴嘴出口區(qū)域，空化呈現(xiàn)云狀分布；一部分是喉管中段，空化呈離散的泡狀分布，并且主要集中在壁面附近區(qū)域，射油器中實(shí)際發(fā)生空蝕的也正是該位置的管壁。在噴嘴空化區(qū)域和喉管空蝕區(qū)域之間，無(wú)空化現(xiàn)象發(fā)生。

圖5 氣相體積分?jǐn)?shù)10-3等值區(qū)域圖

4.2 噴嘴出口處空化現(xiàn)象分析

圖6為噴嘴出口處氣相體積分布圖。圖7為噴嘴出口前端不同軸向截面的氣相體積分布云圖。從圖6、圖7可知，在噴嘴出口處一段區(qū)域內(nèi)均有空化現(xiàn)象發(fā)生，且呈環(huán)狀分布，離噴嘴距離越遠(yuǎn)，空化程度越弱。

圖6 噴嘴出口處氣相體積分布圖

圖7 不同截面氣相體積分布云圖

圖8 所示，是對(duì)稱(chēng)的兩外圍噴嘴出口處氣相體積分?jǐn)?shù)沿徑向的分布情況。根據(jù)距噴嘴的不同距離，繪制了不同的線條，在x=±0.022處，為兩噴嘴圓心連線的中點(diǎn)?？梢?jiàn)噴嘴出口處的氣體分布符合中間少、邊緣多的規(guī)律，這與環(huán)狀分布的特征相符。圖9為兩外圍噴嘴出口處速度梯度沿徑向的分布情況，可見(jiàn)噴嘴出口處的速度梯度分布也符合中間小、邊緣大的規(guī)律，與上述的氣相體積分?jǐn)?shù)的分布規(guī)律十分相似。圖10為兩外圍噴嘴出口處湍動(dòng)能沿徑向的分布情況?？梢?jiàn)湍動(dòng)能也基本符合中間小、邊緣大的規(guī)律，只是在兩噴嘴的內(nèi)側(cè)連接區(qū)域出現(xiàn)了特殊的極大值，因?yàn)橛械退儆蛷膰娮扉g隙處漏入這部分區(qū)域，相互之間的摻混碰撞，導(dǎo)致了該處較大的湍動(dòng)能，這現(xiàn)象可從圖11所示的徑向截面速度矢量中看出。從上述分析可知，產(chǎn)生空化的噴嘴邊緣區(qū)域也是速度梯度和湍動(dòng)能很高的區(qū)域?？赏茰y(cè)，在噴嘴出口，高速流與吸卷而來(lái)的低速流發(fā)生劇烈的速度和動(dòng)量交換，形成強(qiáng)剪切層，誘發(fā)了空化現(xiàn)象。

圖8 噴嘴出口處氣相體積分?jǐn)?shù)沿徑向分布圖

圖9 速度梯度沿徑向分布圖

圖10 湍動(dòng)能沿徑向的分布圖

圖11 徑向截面速度矢量圖

4.3 喉管段空化現(xiàn)象分析

圖12所示，為喉管中段壁面附近一段時(shí)間內(nèi)氣相體積分布的變化情況。在模擬時(shí)，可明顯看出空泡產(chǎn)生、成長(zhǎng)、合并、縮小、潰滅的動(dòng)態(tài)過(guò)程。當(dāng)空泡在離壁面極近處潰滅時(shí)，產(chǎn)生的瞬時(shí)高壓足以對(duì)壁面造成破壞，形成空蝕。圖13是所對(duì)應(yīng)的流線圖，可發(fā)現(xiàn)在空泡區(qū)域都有對(duì)應(yīng)的漩渦產(chǎn)生，伴隨著旋渦大小和強(qiáng)度的變化，對(duì)應(yīng)的空泡也出現(xiàn)了有規(guī)律的變化。例如，流線圖13中左方框內(nèi)的旋渦強(qiáng)度逐漸減弱，范圍縮小，對(duì)應(yīng)氣相云圖中的空泡逐漸縮?。恢蟹娇騼?nèi)的旋渦強(qiáng)度增強(qiáng)，范圍擴(kuò)大，對(duì)應(yīng)的空泡增大；右方框內(nèi)旋渦的范圍逐漸擴(kuò)大，強(qiáng)度則先變小后增大，對(duì)應(yīng)了空泡的合并過(guò)程。

圖12 喉管壁面附近不同時(shí)刻氣相體積分布云圖

圖13 喉管壁面附近不同時(shí)刻流線圖

喉管軸向截面速度矢量分布情況，如圖14所示，可明顯看出，在管壁附近存在流動(dòng)分離，并且有回流和旋渦出現(xiàn)。這主要是高速流在與低速流摻混的過(guò)程中吸卷能力減弱，同時(shí)存在較大的逆壓梯度造成的。圖15是渦核分布圖，使用Q-Criterion= 0.1的判別標(biāo)準(zhǔn)，可看出大部分的渦核在喉管壁面附近產(chǎn)生，位置與空化區(qū)域基本重合，可知空化起源于旋渦中心產(chǎn)生的低壓區(qū)。通過(guò)分析，可知壁面附近的空化現(xiàn)象與旋渦的產(chǎn)生有密切的關(guān)系，旋渦的中心區(qū)壓力很低，極易產(chǎn)生空化現(xiàn)象，出現(xiàn)的空泡集中在旋渦中心，形成旋渦空化。在喉管后端，雖然旋渦依然存在甚至有所增強(qiáng)，但由于總體壓力上升，不易出現(xiàn)空化現(xiàn)象。

圖14 喉管速度矢量圖

圖15 渦核分布圖

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)CFD方法，對(duì)某型600 MW機(jī)組的多噴嘴射油器內(nèi)部空化現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了射油器內(nèi)部空化特點(diǎn)和空化的成因，為處理射油器以及類(lèi)似設(shè)備的空化空蝕問(wèn)題，提供了一定理論依據(jù)。

（1）在射油器的噴嘴出口處和喉管中段都有空化現(xiàn)象發(fā)生。噴嘴出口處的空化狀態(tài)較穩(wěn)定，呈環(huán)狀分布，空化分布與速度梯度和湍動(dòng)能的分布規(guī)律十分類(lèi)似。高速射流與卷吸來(lái)的低速流在噴嘴出口處發(fā)生強(qiáng)烈的摻混和動(dòng)量交換，產(chǎn)生的強(qiáng)剪切層誘發(fā)了空化現(xiàn)象的發(fā)生。

（2）喉管中段的空化狀態(tài)不穩(wěn)定，由壁面附近旋渦區(qū)產(chǎn)生的瞬時(shí)低壓引起。喉管壁面附近的旋渦區(qū)是由流動(dòng)分離現(xiàn)象引起的。由于喉管內(nèi)存在較大的逆壓梯度，且高速流卷吸能力不足，導(dǎo)致壁面附近出現(xiàn)流動(dòng)分離。

（3）對(duì)比運(yùn)行時(shí)射油器的空蝕情況，利用模擬計(jì)算結(jié)果，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了空化區(qū)域的相應(yīng)位置，并闡明射油器壁面附近的空化現(xiàn)象。

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Study on Cavitation Mechanisms in Oil Ejector

CHEN Xin1，YU Yong-sheng1，LIU Hong2
（1.Electric Power Research Institute of Anhui Power Grid Corporation，Hefei 230601，Anhui，China；2.Department of Thermal Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

The cavitation in the oil ejector of a 600 MW steam turbine lube oil system were studied by unsteady numerical simulation added Zwart cavitation model.It reveals the mechanism of cavitation erosion through identifying the cavitation areas corresponded with the actual erosional wall and finds out the reasons for two kings of cavities formation by analysing the bubble growth process and the corresponding changes in the flow field.The results showed the cavitation in the nozzle exit is jet cavitation caused by the high-shear layers and the cavitation near the wall resulted from the low pressure in the vortex core.

unit，oil ejector；shear；vortex；cavitation；numerical；stimulations；study

TK263 68

A

1672-0210（2016）02-0048-05

2016-02-29

陳鑫（1988-），男，工程師，碩士研究生，畢業(yè)于清華大學(xué)，從事電站熱力系統(tǒng)分析與汽輪機(jī)性能方面的研究工作。