不同導(dǎo)葉數(shù)對超低比轉(zhuǎn)速水輪機水力性能的影響

王晨陽，余 波，李 歡，沈俊杰，耿田皓

(西華大學(xué)流體及動力機械教育部重點實驗室，四川 成都 610039)

0 引 言

在我國，很多用于冷卻塔冷卻的風扇是由電動機驅(qū)動的，所損耗的功率非常大。利用冷卻塔循環(huán)水泵的富余揚程和循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水的重力勢能為水輪機提供工作動力，用超低比轉(zhuǎn)速水輪機替換冷卻塔中的風扇電動機直接驅(qū)動風扇旋轉(zhuǎn)， 可以代替電動機降低能耗[1]，實現(xiàn)富余水頭的再利用，節(jié)約能源。在水輪機工作期間應(yīng)保證冷卻塔的正常運行以及循環(huán)水泵能耗不改變[2- 6]。根據(jù)四川某企業(yè)冷卻塔水動力改造的參數(shù)要求，設(shè)計出了一種用于冷卻塔的超低比轉(zhuǎn)速混流式水輪機，此冷卻塔專用超低比轉(zhuǎn)速水輪機的不設(shè)活動導(dǎo)葉，設(shè)計流量很小，比轉(zhuǎn)速小[7]，且水輪機沒有設(shè)活動導(dǎo)葉，固定導(dǎo)葉對水輪機水力性能影響大，探究不同導(dǎo)葉數(shù)對此水輪機水力性能的影響尤為重要。在本文中，基于不同導(dǎo)葉數(shù)，利用CFD軟件對水輪機進行全流道定常數(shù)值模擬，準確預(yù)測不同導(dǎo)葉數(shù)水輪機內(nèi)部流場、出力、效率。

1 水輪機模型處理

1.1 模型幾何參數(shù)

計算模型為一冷卻塔專用超低比轉(zhuǎn)速混流式水輪機，該水輪機的基本參數(shù)：額定水頭11.5 m，額定流量0.869 m3/s，轉(zhuǎn)輪直徑1.46 m，轉(zhuǎn)輪葉片15個，額定轉(zhuǎn)速138 r/ min，采用正曲率導(dǎo)葉，導(dǎo)葉的進口角安放角為35°，導(dǎo)葉出流角為28°。其他參數(shù)不變，研究不同固定導(dǎo)葉數(shù)對水輪機水力性能和效率的影響。方案參數(shù)如表1所示。

表1 不同固定導(dǎo)葉數(shù)方案

1.2 模型處理

如圖1所示，為水輪機全流道幾何模型。水輪機全流道包括蝸殼，固定導(dǎo)葉，轉(zhuǎn)輪和尾水管這4個部分[2]。針對表1中4種固定導(dǎo)葉數(shù)，分別建立三維模型，并通過ICEM對模型進行四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，將網(wǎng)格導(dǎo)入CFX中。經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性驗證，各部件網(wǎng)格數(shù)如表2所示。

圖1 全流道三維模型

表2 各方案對應(yīng)水輪機網(wǎng)格劃分

2 數(shù)值計算方法與計算方案

2.1 控制方程與湍流模型

由于并不研究水輪機的瞬態(tài)過程，采用三維定常N-S方程、不可壓縮湍流k-ε模型進行求解，流動遵循三大方程。

連續(xù)性方程為

?(ρui)/?xi=0

(1)

式中，ρ為流體密度；ui為坐標系中i方向上的速度分量。

動量守恒方程為

(2)

式中，P為靜壓；τij為應(yīng)力張量；gi和Fi分別為i方向上的重力體積力和外部體積力。

能量方程為

(3)

式中，cp為比熱容T為溫度；k為流體傳熱系數(shù)；ST為粘性耗散系數(shù)。

RNGk-ε模型控制方程為

(4)

(5)

式中，ui為雷諾時均速度；μeff為有效粘性系數(shù)；Gk為湍動能k的生成項；ε為耗散率；Rε為附加項；Sij平均應(yīng)變率張量。Cμ=0.084 5，αk=αε=1.39，C1ε=1.42，C2ε=1.68。

2.2 邊界條件

進口邊界條件，計算域采用質(zhì)量流量進口條件，額定進口流量為869 kg/s。出口邊界條件，邊界設(shè)置為Opening Pres. and Dirm，壓力出口采用0。壁面邊界和交界面，水輪機的固體壁面設(shè)置為無滑移邊界條件。轉(zhuǎn)輪額定轉(zhuǎn)速為138 r/min，導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪之間，轉(zhuǎn)輪與尾水管之間的交界面均設(shè)置為動靜交界面，采用Frozen Rotor模型[8]。蝸殼和導(dǎo)葉之間無轉(zhuǎn)動部件，交界面用靜靜交界面[9]。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 固定導(dǎo)葉壓力分布

導(dǎo)葉數(shù)不同對固定導(dǎo)葉表面靜壓分布也會產(chǎn)生影響，如圖2所示。從圖2可以看出：①同一流量不同導(dǎo)葉數(shù)，葉片進口處壓力都相對較大，沿固定導(dǎo)葉方向壓力呈現(xiàn)遞減趨勢，導(dǎo)葉出口處靜壓相對較小。②隨著導(dǎo)葉數(shù)增多，導(dǎo)葉同一部位所受壓力呈增大趨勢，壓力分布沿導(dǎo)葉進口至出口均勻降低，壓力分布在整個導(dǎo)葉分布圓周上都有較好的對稱性。③由于蝸殼尾部狹窄，不同導(dǎo)葉數(shù)，導(dǎo)葉與蝸殼尾部相接的區(qū)域都會產(chǎn)生部分高壓區(qū)。DY2方案與蝸殼尾部連接處局部高壓區(qū)最小，導(dǎo)葉壓力分布均勻。18葉片數(shù)與蝸殼匹配時，固定導(dǎo)葉壓力分布較好，導(dǎo)葉水力性能良好。

在水輪機的實際工作中，流量會隨運行條件發(fā)生改變。擬定0.8Q、Q、1.2Q3種工況，縱向比較，對水輪機固定導(dǎo)葉壓力云圖進行分析：①隨著流量的增大，導(dǎo)葉所受最大壓力也在增大。不同流量工況同一導(dǎo)葉數(shù)，蝸殼與導(dǎo)葉相接的地方均會存在局部高壓區(qū)，且局部高壓區(qū)面積隨流量的增加沒有明顯變化。②在不同的流動條件下，DY1、DY3、DY4由于受水流撞擊的影響，導(dǎo)葉進出口處產(chǎn)生局部高壓區(qū)，導(dǎo)葉水力性能欠佳。而DY2在不同流量工況局部高壓面積都是最小的，導(dǎo)葉壓力分布均勻。

圖2 變流量工況DY1、DY2、DY3、DY4固定導(dǎo)葉表面靜壓分布

圖3 額定流量下導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪速度流線

3.2 轉(zhuǎn)輪表面速度流線分布

水輪機轉(zhuǎn)輪在設(shè)計工況下流線分布如圖3所示。從圖3可以得到，隨著導(dǎo)葉數(shù)的增多，轉(zhuǎn)輪流線分布越來越均勻。在水輪機沒有活動導(dǎo)葉，而固定導(dǎo)葉數(shù)較少，轉(zhuǎn)輪上冠表面流線回旋形成大量旋渦，有回流現(xiàn)象，會導(dǎo)致水輪機效率降低。由于水流撞擊進入轉(zhuǎn)輪，四種方案在轉(zhuǎn)輪進口處，均伴隨有脫流現(xiàn)象。在轉(zhuǎn)輪出口處也產(chǎn)生明顯脫流。隨著導(dǎo)葉數(shù)增多，旋渦減少，回流現(xiàn)象得到很大程度改善，水力性能有所提高，但脫流情況仍然沒有很大程度的改善。這說明在同一工況下，合理增加固定導(dǎo)葉數(shù)可以有效改善水輪機轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生旋渦和回流的情況，對脫流的改善效果不明顯。對比4種方案，導(dǎo)葉數(shù)的增加對轉(zhuǎn)輪出口脫流現(xiàn)象沒有改善。轉(zhuǎn)輪葉片正面脫流比轉(zhuǎn)輪葉片背面嚴重，這是由于葉片正面承受液流平均壓力大于轉(zhuǎn)輪葉片背面。

表3 額定工況不同方案水輪機性能參數(shù)

3.3 水輪機性能分析

不同固定導(dǎo)葉數(shù)水輪機水力性能不同，對水輪機效率也會產(chǎn)生影響。對4種方案設(shè)置相同的進出口條件，計算不同流量工況下水輪機的水頭、進出口壓力，效率，結(jié)果如表3。水輪機水頭隨導(dǎo)葉數(shù)的增加從11.29 m增加至13.12 m，在DY1方案為11.29 m，沒有達到水輪機的額定水頭11.5 m。水輪機出力在DY1方案為70.32 kW，增加導(dǎo)葉數(shù)水輪機出力在加大，采用DY4方案水輪機出力達到82.19 kW，效率在一定范圍也在提高。對比四種方案，在額定工況下，尾水管水力損失先減小后增大，DY2方案，尾水管水力損失最小為1.39 m。水輪機效率DY2比DY1提高1.32%，DY3的效率最高，相比DY2提高0.34%。

圖4 不同導(dǎo)葉數(shù)不同工況下水輪機轉(zhuǎn)輪水力損失

圖5 不同導(dǎo)葉數(shù)不同工況下水輪機效率變化

圖6 不同導(dǎo)葉數(shù)不同工況下水輪機出力

由圖4和圖5可以看出，水輪機在小流量工況下(小于額定流量)運行時，水輪機轉(zhuǎn)輪水力損失隨固定導(dǎo)葉數(shù)增多而增大，且隨流量增大，轉(zhuǎn)輪水力損失在減少。水輪機大流量工況(大于額定流量)運行時，轉(zhuǎn)輪水力損失隨固定導(dǎo)葉數(shù)增多而減小，且隨流量增大，轉(zhuǎn)輪水力損失在增大。水輪機效率與固定導(dǎo)葉數(shù)呈現(xiàn)一定規(guī)律。水輪機在小流量工況下(小于額定流量)運行時，水輪機固定導(dǎo)葉越多，水輪機效率越高，且隨流量增大水輪機效率在提高。水輪機大流量工況(大于額定流量)運行時，水輪機固定導(dǎo)葉越少，水輪機效率越高，且隨流量增大效率呈現(xiàn)降低趨勢。水輪機轉(zhuǎn)輪水力損失與水輪機效率效率成反比，DY2方案水輪機固定導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪匹配較好，轉(zhuǎn)輪水力損失小為0.397 m，水輪機效率高。由圖6可以看出，在等流量即相同流量工況下，DY3和DY4出力相差小，但是都高于DY1和DY2。

4 結(jié) 論

(1)沒有活動導(dǎo)葉的水輪機，導(dǎo)葉數(shù)增多，轉(zhuǎn)輪流線分布越來越均勻順暢，對改善旋渦有明顯的效果，但改變固定導(dǎo)葉數(shù)對轉(zhuǎn)輪脫流現(xiàn)象的改善效果不明顯。

(2)綜合分析對比水輪機各過流部件的水力特性，此水輪機選用DY2方案，固定導(dǎo)葉壓力分布更均勻，轉(zhuǎn)輪流線順暢，尾水管水力損失最小。

(3)水輪機在小流量工況下(小于額定流量0.869 m3/s)運行時，應(yīng)適當增加固定導(dǎo)葉數(shù)，水輪機大流量工況(大于額定流量0.869m3/s)運行時，應(yīng)適當減少固定導(dǎo)葉數(shù)。這為今后冷卻塔專用超低比轉(zhuǎn)速水輪機的固定導(dǎo)葉數(shù)的選取提供參考。