管道垂直型螺旋式水輪機(jī)的數(shù)值模擬研究*

呂強(qiáng) 張文斌 郭勇 陳如華 王曉暉 匡開(kāi)林

摘要：為解決用于水表井中的遠(yuǎn)傳設(shè)備供電不足，對(duì)水表管道結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)改造，引入垂直型螺旋式水輪機(jī)組對(duì)鋰電池進(jìn)行充電，使得設(shè)備處于最佳運(yùn)行狀態(tài)。本文將針對(duì)90°和120°兩組不同包角的葉片在不同工況下進(jìn)行全流道數(shù)值模擬，分析內(nèi)流狀態(tài)并進(jìn)行選優(yōu)。結(jié)果表明，當(dāng)轉(zhuǎn)速由100r/min到1000r/min過(guò)程中，90°包角渦輪出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，但是回收效率逐漸增加，120°包角渦輪正轉(zhuǎn)，且功率呈拋物線趨勢(shì)。在轉(zhuǎn)速約為500r/min時(shí)，120°包角渦輪達(dá)到最優(yōu)工況，在此工況下120°包角渦輪內(nèi)部流動(dòng)湍動(dòng)能較小，能量耗散弱，運(yùn)行更加穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：垂直型螺旋式水輪機(jī);包角;數(shù)值模擬;湍動(dòng)能

中圖分類號(hào)：TK73文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

目前自動(dòng)抄表系統(tǒng)在供電、天然氣等領(lǐng)域已經(jīng)廣泛應(yīng)用，自來(lái)水自動(dòng)抄表的應(yīng)用也在普及，影響其推廣的主要原因就是設(shè)備供電問(wèn)題。大口徑水表安裝在水表井中，環(huán)境潮濕，交流電源無(wú)法引入。在水表井中用電設(shè)備有數(shù)據(jù)采集模塊和遠(yuǎn)傳發(fā)射終端兩部分，由于安裝環(huán)境的制約，數(shù)據(jù)采集模塊和遠(yuǎn)傳終端供電只能采用內(nèi)置干電池供電。

遠(yuǎn)傳終端是將采集模塊采集到的數(shù)據(jù)運(yùn)用GPRS技術(shù)發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)，通過(guò)對(duì)應(yīng)的網(wǎng)頁(yè)和軟件顯示出來(lái)，做為收費(fèi)的依據(jù)。遠(yuǎn)傳終端設(shè)備內(nèi)部裝有一組電池，在設(shè)計(jì)時(shí)一方面需要盡量加大電池的容量，另一方面需要減小設(shè)備的功耗。

為解決以上問(wèn)題帶來(lái)的不便，本文針對(duì)自來(lái)水表這一流量監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)管道進(jìn)行簡(jiǎn)易改進(jìn)，引入垂直型螺旋式水輪發(fā)電機(jī)對(duì)蓄電池進(jìn)行不間斷供電，確保各種遠(yuǎn)傳監(jiān)測(cè)設(shè)備處于最佳運(yùn)行狀態(tài)。本研究針對(duì)兩種不同包角的渦輪采用ANYSIS CFX數(shù)值模擬軟件進(jìn)行全流道數(shù)值模擬，分析不同包角的葉片在不同工況下回收效率，為管道式超微型水輪機(jī)組選擇最優(yōu)渦輪，對(duì)未來(lái)管道供電系統(tǒng)的研發(fā)工作有一定指導(dǎo)作用。

所設(shè)計(jì)發(fā)電裝置裝配圖如圖1所示，該裝置由線圈槽、磁鐵槽、渦輪和螺紋主體四大部分組成，管道來(lái)流沖擊渦輪驅(qū)動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，通過(guò)連接軸帶動(dòng)磁鐵槽中磁鐵來(lái)切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而產(chǎn)生電流來(lái)為儲(chǔ)蓄電池供電，而螺紋主體則是一種密封裝置，內(nèi)置傳動(dòng)軸傳輸渦輪產(chǎn)生的扭矩，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于安裝和維護(hù)，滿足在不同環(huán)境下自來(lái)水管道用電設(shè)備的需求。

1葉輪幾何造型

本文研究對(duì)象為一直徑為D=50mm的自來(lái)水管道，長(zhǎng)度H=150mm，管道內(nèi)壓力P=0.5MPa，流量Q=25m/h。其葉輪設(shè)計(jì)參數(shù)為：葉輪直徑d=16mm，葉輪寬度b=15mm，葉片數(shù)Z=3，葉片包角分為90°和120°，所設(shè)計(jì)渦輪物理模型如圖2及圖3所示。

2 數(shù)值計(jì)算

本文采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，分別對(duì)兩種不同包角的渦輪進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性研究，兩種渦輪在網(wǎng)格總數(shù)均大于300萬(wàn)時(shí)其效率較為穩(wěn)定，波動(dòng)較小，因此將兩種模型的總網(wǎng)格數(shù)控制在300萬(wàn)左右。本文90°包角模型總網(wǎng)格數(shù)量為326萬(wàn)4489，其節(jié)點(diǎn)數(shù)量為57萬(wàn)6836，120°包角模型總網(wǎng)格數(shù)量為327萬(wàn)2654，其節(jié)點(diǎn)數(shù)量為57萬(wàn)8275。

利用ANYSIS-CFX軟件對(duì)兩種不同包角的渦輪模型進(jìn)行全流道數(shù)值模擬，整個(gè)計(jì)算域如圖4所示。分析類型為穩(wěn)態(tài)，湍流模型選用k-ε模型。采用速度進(jìn)口，壓力出口，輸送介質(zhì)為25℃清水，計(jì)算收斂標(biāo)準(zhǔn)為10，動(dòng)靜交界面采用Frozen rotor，固壁采用無(wú)滑移邊界條件。

3計(jì)算結(jié)果分析

3.1外特性分析

采用ANYSIS CFX對(duì)兩種不同包角的模型從轉(zhuǎn)速100r/min到1000r/min進(jìn)行數(shù)值模擬，因?yàn)樽詠?lái)水管道壓力通常較為恒定，所以我們給定進(jìn)口速度為3.5m/s，出口壓力為0.5MPa。對(duì)兩組不同包角渦輪的扭矩展開(kāi)分析討論，其結(jié)果如圖5和圖6所示，圖5為兩種渦輪的輸出扭矩特性，從圖中可以看出，90°包角渦輪出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，扭矩隨轉(zhuǎn)速增加而增大，而120°包角渦輪隨轉(zhuǎn)速增加扭矩呈下降趨勢(shì)，最后停止轉(zhuǎn)動(dòng)且出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，說(shuō)明兩種模型由于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)或者安裝位置的原因出現(xiàn)葉片背面受力大于工作面受力，在運(yùn)行過(guò)程中背面承受壓力對(duì)渦輪造成較大能量損失。

圖6是兩種不同包角渦輪的輸出功率特性曲線，從圖中可以看出90°包角渦輪雖然出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，但是回收功率卻隨轉(zhuǎn)速逐漸增加;120°包角渦輪回收功率隨轉(zhuǎn)速呈拋物線分布，轉(zhuǎn)速大約為500r/min時(shí)，回收功率達(dá)到最高。

3.2 內(nèi)流場(chǎng)分析

90°包角渦輪與120°包角渦輪在轉(zhuǎn)速為500r/min時(shí)得扭矩和回收功率相近，因此我們對(duì)兩組渦輪在轉(zhuǎn)速為500r/min時(shí)展開(kāi)內(nèi)流分析及討論：

3.2.1壓力分布

圖7和圖8為90度和120度包角渦輪的壓力分布云圖，從渦輪局部壓力分布來(lái)看，90度包角渦輪壓力集中在葉片的背面，造成葉片背面所受壓力始終大于工作面所受壓力，所以渦輪工作開(kāi)始就出現(xiàn)了反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，且隨著轉(zhuǎn)速的增加，葉片背面所受壓力逐漸大于工作面所受壓力，渦輪功率逐漸增加。120度包角渦輪壓力集中在渦輪的工作面，在轉(zhuǎn)速為900r/min之前，葉片工作面所受壓力始終大于葉片背面所受壓力，渦輪處于正轉(zhuǎn)狀態(tài)，當(dāng)轉(zhuǎn)速大于900r/min時(shí)壓力大小分布相反，此時(shí)也出現(xiàn)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

3.2.2速度矢量分析

圖9與圖10為兩種模型的速度矢量圖，來(lái)流由上而下沖擊渦輪，從圖中可以看到來(lái)流沖擊到葉片之后的流動(dòng)狀態(tài)，兩種渦輪都在來(lái)流的沖擊下在工作面產(chǎn)生了較強(qiáng)的漩渦。90度包角渦輪由于是反轉(zhuǎn)狀態(tài)，故產(chǎn)生的漩渦強(qiáng)度大，能量耗散強(qiáng)度大，雖然功率隨轉(zhuǎn)速增加而增大，但是造成了管道能量的損失。120度包角渦輪流動(dòng)則顯得更為紊亂，這是由于增大了包角之后，葉片對(duì)流體的束縛能力增強(qiáng)，但是又造成了工作面內(nèi)流體形成二次流，轉(zhuǎn)速增加，葉片工作面與背面的受力則逐漸趨于相等直至出現(xiàn)反轉(zhuǎn)的狀態(tài)，所以該包角渦輪的功率呈拋物線形分布，在轉(zhuǎn)速約為500r/min之后效率持續(xù)下降直至反轉(zhuǎn)。

4 總結(jié)

通過(guò)對(duì)兩種不同包角渦輪在不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)行全流道數(shù)值模型，分析了其外特性及內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)，從而確定了垂直型螺旋式渦輪包角對(duì)性能的影響，主要得出以下結(jié)論：

（1）在來(lái)流一定的情況下，90度包角渦輪工作面受力小于葉片背面受力，造成渦輪反轉(zhuǎn)，但效率隨轉(zhuǎn)速逐漸增加。120度包角渦輪則隨轉(zhuǎn)速增加葉片工作面受力與背面逐漸趨于平衡，最終出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，效率在500r/min時(shí)最優(yōu)。

（2）120°包角渦輪相對(duì)于90°包角葉片對(duì)流體則表現(xiàn)出更強(qiáng)的約束力，但由于結(jié)構(gòu)為螺旋結(jié)構(gòu)，增大包角造成流體在工作面內(nèi)形成二次流，產(chǎn)生較強(qiáng)的漩渦，耗散了能量，而90度包角渦輪由于反轉(zhuǎn)造成了更大的能量損失。

（3）兩種渦輪在選型時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，當(dāng)轉(zhuǎn)速小于500r/min時(shí)則選取120度包角渦輪，此時(shí)能量損失較弱，效率較高;當(dāng)轉(zhuǎn)速大于500r/min時(shí)，則選取90包角渦輪，對(duì)應(yīng)輸出功率大。