射油器内空化现象的分析

陈 鑫，余永生，刘 红

（1.安徽电网公司电力科学研究院，安徽合肥230601；2.清华大学热能工程系，北京100084）

射油器内空化现象的分析

陈 鑫1，余永生1，刘 红2

（1.安徽电网公司电力科学研究院，安徽合肥230601；2.清华大学热能工程系，北京100084）

采用非定常数值模拟方法，对某型600 MW汽轮机组润滑油系统中射油器内部的空化现象进行了数值模拟。模拟结果显示，在喉部入口处存在间歇性空化区域，与实际空蚀区的位置非常吻合。通过分析空化产生过程和对应的流场变化，找出了射油器内空化现象形成的机理。在射油器喷嘴出口处的空化现象，是因高速射流形成的强剪切层而引起。在喉管壁面附近的空化现象，是由旋涡产生的瞬时低压所引起。

机组；射油器；射流；漩涡；空化；数值；模拟；分析

0 概 述

射油器是汽轮机润滑油系统中的重要组件，设备的运行性能，将直接影响润滑油系统和主油泵的油压及流量，关系到整个润滑系统的稳定运行。

1 射油器的结构与空蚀现象

射油器的结构，如图1所示。射油器将来自主油泵出口的高压油通过喷嘴产生高速射流，由于射流的卷吸作用，在射流周围产生一个负压区，使大量的低压油从油箱中被吸出后进入混合室，高速油和低速油在喉管进行速度交换。在喉管末端，两者速度趋于一致，完成混合的油流经过扩压管将动能转化成压力势能，实现小流量的高压油向大流量的低压油的转化。目前，国内300～600 MW机组所采用的射油器，常在喉管部位出现空蚀现象。射油器喉部出现的空蚀区域，如图2所示。空蚀现象发生在喉管中段，离喉管进口处约6～21 cm。射油器的空蚀现象不仅造成喉管的损蚀变薄，还影响了射油器本身的结构强度，同时，由于空蚀层的剥落，对轴颈造成威胁，在运行过程中产生的巨大噪声和振动，也对环境和其他设备造成不利影响。可见射油器的空蚀问题，已对机组的安全运行构成威胁。

图1 射油器的结构

图2 射油器空蚀区域

液体内部空化现象的研究一直是流体机械领域的一个研究热点。对于射流空化和旋涡空化现象，国内外专家学者开展了许多工作，在射流空化方面：Cunningham（于1970年）对较小喷嘴和分离区域射流空化的研究表明，空化发生在射流中旋涡结构的核心位置处，并与剪切层的波动相关[1]。Cerutti（于2000年）结合简化的计算模型分析高雷诺数的轴对称射流的空化，发现初生空化数随着喷嘴直径的增大而增大[2]。龙新平（于2003年）等人对某射流泵内不同空化阶段的非定常汽液两相空化流动过程，进行了数值模拟，捕捉了空泡从射流边界层内初生、分裂、聚合、膨胀及消失的过程[3]。在旋涡空化方面，Arndt（于1976年）研究了旋涡空化出现的位置，指出旋涡空化发生在剪切层内旋涡的涡核低压区内[4]。Kato（于1998年）研究了旋涡空化的结构和产生破灭过程，指出旋涡空化是有许多小空化泡在旋涡中心区聚集形成的[5]。王国玉，曹树良等人研究了高速水流中旋涡空化的形成机理[6]，并研究了因旋涡空化所引起的空蚀和振动现象，根据空蚀和振动之间的关系，指出旋涡空化能引起严重的空蚀和剧烈的振动[7]。现采用非定常数值模拟方法，对某型600 MW机组的多孔射油器内部空化与空蚀现象进行研究，找出射油器内空化与空蚀的起因。同时，针对射流空化和旋涡空化等现象，研究空化形成的过程和对应流场形态的变化，探索射油器内空化现象的形成机理。

2 模型的网格划分与简化

数值模拟计算对几何模型结构和网格数量的要求较高，通过对射油器的定常和非定常计算，发现高压入口段和喉管出口流场较为均匀，参数变化平缓。然后，对原几何模型进行简化，着重分析混合室、喷嘴到喉管段的流场，同时考虑几何结构的对称性，对半周内的流场进行计算时，增加一对称面边界条件，如图3所示，对简化后的模型，选取适当的网格数，模拟计算了该区域内的流场。

图3 射油器模型简化示意

网格划分的示意图，如图4所示。因实际工程中射油器的气蚀破坏发生在喉管段，必须重点关注喉管部位的空化问题，所以，在喉管段采用结构化网格，并对管壁附近的网格进行了加密。混合室内有5孔高压喷嘴及拉紧螺栓等零件，结构较为复杂，鉴于非结构网格具有良好的壁面贴附效果，在混合室段选用了四面体/六面体混合型非结构网格。网格利用Icem CFD生成。流体在喷嘴至喉管进口段的流动状态较复杂，所以，对这些区域的网格进行了局部加密，总体上Y plus在100以下，满足所选湍流模型的要求。划分后各部位网格数，如表1所示。

图4 射油器计算网格的划分

表1 划分后各部位网格数

3 数值计算方法和边界条件

采用时间推进的非定常计算方法，选用雷诺平均的NS方程作为控制方程，选用标准k-ε湍流模型，近壁处流动采用标准壁面函数处理。选用Zwart空化模型，模型具体内容可见文献[8]。压力和速度耦合方程采用全隐式多网格耦合求解。时间离散格式采用二阶向后差分，时间步长1 e～4 s，模拟总时长0.05 s。因为整个流场中温度的变化不大，故可假设整个流动过程中无热量交换，进出口均根据原几何模型计算结果给定压力分布边界条件，在高、低压进口处给定总压，在出口处给定背压。

4 计算结果分析

4.1 空化区域描述

图5是计算结束时刻气相体积分数10-3等值区域图，可看出发生空化的区域主要有两部分：一部分是喷嘴出口区域，空化呈现云状分布；一部分是喉管中段，空化呈离散的泡状分布，并且主要集中在壁面附近区域，射油器中实际发生空蚀的也正是该位置的管壁。在喷嘴空化区域和喉管空蚀区域之间，无空化现象发生。

图5 气相体积分数10-3等值区域图

4.2 喷嘴出口处空化现象分析

图6为喷嘴出口处气相体积分布图。图7为喷嘴出口前端不同轴向截面的气相体积分布云图。从图6、图7可知，在喷嘴出口处一段区域内均有空化现象发生，且呈环状分布，离喷嘴距离越远，空化程度越弱。

图6 喷嘴出口处气相体积分布图

图7 不同截面气相体积分布云图

图8 所示，是对称的两外围喷嘴出口处气相体积分数沿径向的分布情况。根据距喷嘴的不同距离，绘制了不同的线条，在x=±0.022处，为两喷嘴圆心连线的中点。可见喷嘴出口处的气体分布符合中间少、边缘多的规律，这与环状分布的特征相符。图9为两外围喷嘴出口处速度梯度沿径向的分布情况，可见喷嘴出口处的速度梯度分布也符合中间小、边缘大的规律，与上述的气相体积分数的分布规律十分相似。图10为两外围喷嘴出口处湍动能沿径向的分布情况。可见湍动能也基本符合中间小、边缘大的规律，只是在两喷嘴的内侧连接区域出现了特殊的极大值，因为有低速油从喷嘴间隙处漏入这部分区域，相互之间的掺混碰撞，导致了该处较大的湍动能，这现象可从图11所示的径向截面速度矢量中看出。从上述分析可知，产生空化的喷嘴边缘区域也是速度梯度和湍动能很高的区域。可推测，在喷嘴出口，高速流与吸卷而来的低速流发生剧烈的速度和动量交换，形成强剪切层，诱发了空化现象。

图8 喷嘴出口处气相体积分数沿径向分布图

图9 速度梯度沿径向分布图

图10 湍动能沿径向的分布图

图11 径向截面速度矢量图

4.3 喉管段空化现象分析

图12所示，为喉管中段壁面附近一段时间内气相体积分布的变化情况。在模拟时，可明显看出空泡产生、成长、合并、缩小、溃灭的动态过程。当空泡在离壁面极近处溃灭时，产生的瞬时高压足以对壁面造成破坏，形成空蚀。图13是所对应的流线图，可发现在空泡区域都有对应的漩涡产生，伴随着旋涡大小和强度的变化，对应的空泡也出现了有规律的变化。例如，流线图13中左方框内的旋涡强度逐渐减弱，范围缩小，对应气相云图中的空泡逐渐缩小；中方框内的旋涡强度增强，范围扩大，对应的空泡增大；右方框内旋涡的范围逐渐扩大，强度则先变小后增大，对应了空泡的合并过程。

图12 喉管壁面附近不同时刻气相体积分布云图

图13 喉管壁面附近不同时刻流线图

喉管轴向截面速度矢量分布情况，如图14所示，可明显看出，在管壁附近存在流动分离，并且有回流和旋涡出现。这主要是高速流在与低速流掺混的过程中吸卷能力减弱，同时存在较大的逆压梯度造成的。图15是涡核分布图，使用Q-Criterion= 0.1的判别标准，可看出大部分的涡核在喉管壁面附近产生，位置与空化区域基本重合，可知空化起源于旋涡中心产生的低压区。通过分析，可知壁面附近的空化现象与旋涡的产生有密切的关系，旋涡的中心区压力很低，极易产生空化现象，出现的空泡集中在旋涡中心，形成旋涡空化。在喉管后端，虽然旋涡依然存在甚至有所增强，但由于总体压力上升，不易出现空化现象。

图14 喉管速度矢量图

图15 涡核分布图

5 结 语

通过CFD方法，对某型600 MW机组的多喷嘴射油器内部空化现象进行了数值模拟，分析了射油器内部空化特点和空化的成因，为处理射油器以及类似设备的空化空蚀问题，提供了一定理论依据。

（1）在射油器的喷嘴出口处和喉管中段都有空化现象发生。喷嘴出口处的空化状态较稳定，呈环状分布，空化分布与速度梯度和湍动能的分布规律十分类似。高速射流与卷吸来的低速流在喷嘴出口处发生强烈的掺混和动量交换，产生的强剪切层诱发了空化现象的发生。

（2）喉管中段的空化状态不稳定，由壁面附近旋涡区产生的瞬时低压引起。喉管壁面附近的旋涡区是由流动分离现象引起的。由于喉管内存在较大的逆压梯度，且高速流卷吸能力不足，导致壁面附近出现流动分离。

（3）对比运行时射油器的空蚀情况，利用模拟计算结果，准确预测了空化区域的相应位置，并阐明射油器壁面附近的空化现象。

[1]Cunningham R G，Hansen A G，Na T.Jet pump cavitation[J]. Trans ASME，1970，92（3）：483-494.

[2]Chu，Lee JH.Spreading of turbulent round jet in coflow[J]. Journal of Hydraulic Engineering，1999，125（2）：193-204.

[3]Cerutti S，Omar K，Katz J.Numerical study of cavitation inception in the near field of an axisymmetric jet at high reynolds number[J].Physics of Fluids，2000（12）：10-13.

[4]龙新平，程茜，韩宁.射流泵空化流动的数值模拟[J].排灌机械工程学报，2010，28（1）：7-11.

[5]Arndt R E A.Semiempirical analysis of cavitation in the wake of sharp-edged disk[J].Trans ASME，1998（3）：560-562.

[6]Kato H.Complex structure of sheet cloud cavitationProc third int conf on pumps and fans[C].Beijing：Tsinghua University Press，1998.

[7]王国玉，曹树良.剪切层区域旋涡空化的发生机理[J].清华大学学报，2001，41（10）：62-64.

[8]王国玉，曹树良.高速水流中旋涡空化所引起的空蚀和振动[J].工程热物理学报，2002，23（6）：707-710.

[9]顾磊，张景松，杨春敏.汽蚀工况液体射流泵的实验研究[J].流体机械，2006，34（2）：7-9.

[10]Zwart P J，Gerber A G，Belamri T.A Two-Phase Flow Model for Predicting Cavitation Dynamics[D].Yokohama，Japan，2004.

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

陈鑫（1988-），男，工程师，硕士研究生，毕业于清华大学，从事电站热力系统分析与汽轮机性能方面的研究工作。