一种转桨式水轮机叶片抗空化结构及方法与流程

本发明涉及水力机械及流体机械，更具体地讲，涉及一种转桨式水轮机叶片抗空化结构及方法。

背景技术：

1、转桨式水轮机主要由叶片、转轮体及转轮室等核心部件构成，转轮体可绕转轮主轴实现同步旋转。机组正常运行时，转轮处于高速旋转状态，为避免旋转部件与固定部件发生刚性机械干涉，叶片外缘与转轮室内壁之间必须预留符合设计规范的合理运行间隙。然而，由于叶片压力面与吸力面之间存在较大的压差，高压侧流体会通过叶片外缘间隙向低压侧泄漏，从而形成复杂的间隙泄漏流；在高负荷及高空化工况下，叶片外缘间隙泄漏流容易在叶片吸力面附近形成高速泄漏涡结构。

2、该泄漏涡的核心区域会出现局部压力骤降的情况，极易引发空化现象，空化问题的产生会进一步诱发机组压力脉动、运行振动、工作噪声以及叶片材料空蚀等一系列故障问题，大幅降低机组运行稳定性，同时缩短水轮机叶片的实际使用寿命。

3、现阶段水利工程领域，多采用在叶片外缘设置裙边、增设局部扰流结构或加工规则槽型结构的方式，对上述间隙泄漏引发的空化问题进行改善。但经实际工程应用验证，现有改良结构及技术方案均存在诸多缺陷与不足，具体如下：

4、1、深槽结构的设置易在槽体内部形成全新的局部低压区域，无法从根源上规避空化产生的条件；

5、2、矩形槽、尖锐角槽等常规槽型结构的槽底位置，容易形成流体低速流动死区，造成流场分布不均；

6、3、槽体尖锐底角区域易聚集水体中微小游离气泡，进而形成稳定汽核，为空化持续发生提供基础条件；

7、4、现有改良结构普遍存在局部几何突变问题，该结构特征易诱发附加空化现象，加剧空化危害；

8、5、深槽类改良结构会改变叶片原有力学结构，对叶片整体结构强度造成不利影响，同时提升叶片加工制造难度；

9、6、部分现有改良结构需匹配复杂内部流道或泄压孔结构，结构设计繁琐、加工工艺复杂，制造成本及施工难度较高；

10、7、常规规则槽型结构仅依靠单一的局部扰流作用改善流场，对间隙泄漏流的压力重分配调控能力有限，空化改善效果不佳。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是，提供一种转桨式水轮机叶片抗空化结构及方法，通过在叶片外缘端面设置分级泄压单元对间隙泄漏流进行导流、扩散及减速，降低间隙泄漏流峰值速度，提高局部压力水平，从而削弱泄漏涡强度并改善叶片外缘空化现象;

2、本发明解决技术问题所采用的解决方案是：

3、一方面：

4、本发明提供了一种转桨式水轮机叶片抗空化结构，包括多组设置在叶片外缘端面上的分级泄压单元；

5、多组所述分级泄压单元沿叶片外缘周向呈间隔设置；

6、所述分级泄压单元呈u型槽结构。

7、在一些可能的实施方式中，所述分级泄压单元包括呈u型槽结构的浅凹扩容槽、与浅凹扩容槽开口侧连接且与叶片外缘端面呈倾斜设置的导流斜面、与导流斜面和叶片外缘分别连接的平滑过渡段；

8、所述导流斜面用于引导间隙泄漏流进入浅凹扩容槽；

9、所述浅凹扩容槽用于对间隙泄漏流进行局部扩散与减速，以降低间隙泄漏流峰值速度并削弱泄漏涡强度。

10、在一些可能的实施方式中，所述分级泄压单元的深度小于浅凹扩容槽开口侧沿叶片外缘周向的宽度；

11、在一些可能的实施方式中，所述分级泄压单元的深度与浅凹扩容槽开口侧沿叶片外缘周向的宽度之比为0.15～0.25。

12、在一些可能的实施方式中，所述浅凹扩容槽包括底面、与导流斜面连接的侧面、与侧面远离导流斜面一侧和底面分别连接的圆弧段；所述圆弧段的半径为r，r=0.3～0.5b，b为浅凹扩容槽沿叶片外缘周向的宽度。

13、在一些可能的实施方式中，所述导流斜面与叶片外缘端面所形成的夹角为α。

14、在一些可能的实施方式中，α为10°～30°。

15、在一些可能的实施方式中，多组所述分级泄压单元包括多组靠近叶片吸力面一侧的分级泄压单元一、以及多组靠近叶片压力面一侧的分级泄压单元二；相邻两组分级泄压单元一之间的间距小于相邻两组分级泄压单元二之间的间距。

16、另一方面：

17、本发明还提供了一种转桨式水轮机叶片抗空化方法，基于以上所述的转桨式水轮机叶片抗空化结构；具体是指：

18、间隙泄漏流经过分级泄压单元时，在分级泄压单元的导流、扩散及减速作用下，大尺度的泄漏涡被破碎成较小尺度的泄漏涡，使得泄露流在叶片外缘间隙处的流动更加均匀，提高叶片外缘处的局部压力。

19、在一些可能的实施方式中，间隙泄漏流经过分级泄压单元时，导流斜面将引导叶片外缘处的间隙泄漏流进入浅凹扩容槽内；

20、浅凹扩容槽对其内部的间隙泄漏流进行局部扩散与减速，降低间隙泄漏流峰值速度并削弱泄漏涡强度。

21、与现有技术相比，本发明的有益效果：

22、本发明通过在叶片外缘端面设置分级泄压单元，不涉及叶片内部结构改变，工程实现性高；

23、本发明通过将分级泄压单元采用浅凹u型槽结构，可在保证叶片强度的同时实现间隙泄漏流减速扩散，同时可有效避免深槽结构导致的附加损失增加问题；

24、本发明中浅凹扩容槽采用平滑过渡的u型截面结构，相较于传统矩形槽或尖锐角槽结构，可有效消除槽底区域低速流动死区，降低微小游离气泡在槽底区域聚集与滞留的可能性，从而减少稳定汽核形成风险；通过该结构的设置使得其内部的微尺度旋涡流动更加平顺，可利用局部离心作用促进微气泡脱离槽底区域，削弱“汽核—空化初生”形成条件，从而降低附加空化风险；同时通过该结构在削弱大尺度间隙泄漏涡的同时，可有效降低浅凹扩容槽底部局部能量耗散及异常压降，避免因局部几何突变形成新的空化敏感区域；

25、本发明通过平滑过渡段的设置可避免形成新的局部低压区，对水轮机效率影响较小；

26、相比现有技术，本发明中的浅凹扩容槽适用于球头铣刀等减材加工工艺，可实现较高表面加工质量与较低壁面粗糙度，从而进一步降低壁面粗糙结构诱发空化核心的风险，提高结构工程适用性与长期运行可靠性；

1.一种转桨式水轮机叶片抗空化结构，其特征在于，包括多组设置在叶片外缘端面上的分级泄压单元；

2.根据权利要求1所述的一种转桨式水轮机叶片抗空化结构，其特征在于，所述分级泄压单元包括呈u型槽结构的浅凹扩容槽、与浅凹扩容槽开口侧连接且与叶片外缘端面呈倾斜设置的导流斜面、与导流斜面和叶片外缘分别连接的平滑过渡段；

3.根据权利要求1所述的一种转桨式水轮机叶片抗空化结构，其特征在于，所述分级泄压单元的深度小于浅凹扩容槽开口侧沿叶片外缘周向的宽度。

4.根据权利要求3所述的一种转桨式水轮机叶片抗空化结构，其特征在于，所述分级泄压单元的深度与浅凹扩容槽开口侧沿叶片外缘周向的宽度之比为0.15～0.25。

5.根据权利要求2所述的一种转桨式水轮机叶片抗空化结构，其特征在于，所述浅凹扩容槽包括底面、与导流斜面连接的侧面、与侧面远离导流斜面一侧和底面分别连接的圆弧段；所述圆弧段的半径为r，r=0.3～0.5b，b为浅凹扩容槽沿叶片外缘周向的宽度。

6.根据权利要求2所述的一种转桨式水轮机叶片抗空化结构，其特征在于，所述导流斜面与叶片外缘端面所形成的夹角为α。

7.根据权利要求6所述的一种转桨式水轮机叶片抗空化结构，其特征在于，α为10°～30°。

8.根据权利要求1-7任一项所述的一种转桨式水轮机叶片抗空化结构，其特征在于，多组所述分级泄压单元包括多组靠近叶片吸力面一侧的分级泄压单元一、以及多组靠近叶片压力面一侧的分级泄压单元二；相邻两组分级泄压单元一之间的间距小于相邻两组分级泄压单元二之间的间距。

9.一种转桨式水轮机叶片抗空化方法，其特征在于，基于权利要求1-8任一项所述的转桨式水轮机叶片抗空化结构；具体是指：

10.根据权利要求9所述的一种转桨式水轮机叶片抗空化方法，其特征在于，