冷卻塔專(zhuān)用新型雙級(jí)貫流式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪直徑優(yōu)化

黃敏，屈波，皮雪松，許卓

（1.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京210098;2.貴州烏江水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司烏江渡水電廠，貴州遵義 563000）

0 前言

冷卻塔專(zhuān)用水輪機(jī)的開(kāi)發(fā)，是利用冷卻塔出水口的富裕水頭［1］帶動(dòng)風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)制冷，代替原有的風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)，從而達(dá)到節(jié)能的目的［2］。冷卻塔中代替風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)的水輪機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸受冷卻塔形狀尺寸的約束，且水流流量和工作水頭的限制性較大，對(duì)水輪機(jī)的性能要求較高。一般情況下，混流式的水輪機(jī)的效率較高，應(yīng)用比較普遍，但是混流式水輪機(jī)帶有蝸殼，尺寸較大，所以尺寸較小的雙級(jí)貫流式水輪機(jī)就應(yīng)運(yùn)而生。

一般情況下，隨著水輪機(jī)尺寸增大，水輪機(jī)的效率也增加［3］。但是因?yàn)檗D(zhuǎn)輪輪緣間隙的存在而產(chǎn)生間隙泄漏流動(dòng)［4］，隨著轉(zhuǎn)輪直徑的增大，間隙泄漏的流量就越大，對(duì)水輪機(jī)的效率就有一定的影響，所以本文采用CFD軟件對(duì)雙級(jí)貫流式水輪機(jī)的第二級(jí)轉(zhuǎn)輪在不同轉(zhuǎn)輪直徑下進(jìn)行數(shù)值模擬，試圖找出最優(yōu)化的轉(zhuǎn)輪直徑使水輪機(jī)的效率最高。

1 水輪機(jī)的基本參數(shù)

新型雙級(jí)貫流式水輪機(jī)是由第一導(dǎo)葉區(qū)、第一轉(zhuǎn)輪區(qū)、第二導(dǎo)葉區(qū)、第二轉(zhuǎn)輪區(qū)、尾水管和旋轉(zhuǎn)軸六部分組成。它的額定水頭是Hr，額定轉(zhuǎn)速是nr。圖1為新型雙級(jí)貫流式水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 雙級(jí)貫流式水輪機(jī)結(jié)構(gòu)圖

一級(jí)導(dǎo)葉的排擠系數(shù)k11，入口角度α11，出口角度α12，葉片數(shù)為z1。一級(jí)轉(zhuǎn)輪排擠系數(shù)k12，入口角度β11，出口角度β12，葉片數(shù)為z2。二級(jí)導(dǎo)葉的排擠系數(shù)k21，入口角度α21，出口角度α22，葉片數(shù)為z3。二級(jí)轉(zhuǎn)輪排擠系數(shù)k22，入口角度β21，出口角度β22。葉片數(shù)為z4。

2 控制方程及數(shù)值模擬

2.1 控制方程

連續(xù)方程和動(dòng)量方程:水流在通過(guò)水輪機(jī)時(shí)，可以視為不可壓縮流體，即在此過(guò)程中，水的密度保持不變。流體流動(dòng)遵循基本的守恒定律，描述為控制方程:

湍流方程:在本研究中，選用標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型［5］。k－ε模型是雙方程模型，在本數(shù)值模擬的計(jì)算中具有較好的收斂性和穩(wěn)定性。k－ε模型中，變量k和ε是兩個(gè)基本未知量。

式中，Gk為由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)，Gb為由于浮力引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)，YM代表可壓湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn)，C1ε，C2ε，C3ε是經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，σk和 σε分別是與湍動(dòng)能k和耗散率ε對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù)，Sk和Sε是用戶定義的源項(xiàng)。

2.2 數(shù)值模擬

在保證進(jìn)口、出口和過(guò)流斷面面積不變，并且考慮水輪機(jī)的導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪均有2 mm的間隙泄漏的前提下，選取6個(gè)工況進(jìn)行數(shù)值模擬。工況一:轉(zhuǎn)輪半徑在原有的尺寸基礎(chǔ)上上加5 mm;工況二:原有尺寸;工況三:轉(zhuǎn)輪半徑在原有的尺寸基礎(chǔ)上減5 mm;工況四:轉(zhuǎn)輪半徑在原有的尺寸基礎(chǔ)上減10 mm;工況五:輪半徑在原有的尺寸基礎(chǔ)上減12 mm;工況六:轉(zhuǎn)輪半徑在原有的尺寸基礎(chǔ)上減15 mm。

對(duì)上述6個(gè)工況分別用Fluent的前處理器Gambit進(jìn)行三維建模并劃分網(wǎng)格，之后導(dǎo)入Fluent中進(jìn)行計(jì)算。進(jìn)口面的邊界條件均設(shè)為PRESSURE_INLET，壓力P=ρgh。出口的邊界條件為PRESSURE_OUTLET。壁面采用無(wú)滑移邊界條件。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 初選方案的確定

表1 不同工況的換轉(zhuǎn)效率

圖2為各個(gè)工況點(diǎn)的效率對(duì)比值:

有上圖可知，通過(guò)6個(gè)工況效率的對(duì)比，可以選定工況四和工況五為初選方案，以下再通過(guò)整個(gè)流道的流線、葉面的壓力等值線的分析，來(lái)最終確定最優(yōu)方案。

圖2 各個(gè)工況點(diǎn)的效率對(duì)比值

3.2 初選方案的流線對(duì)比

為了更好的看到效果，把水輪機(jī)從中間切開(kāi)，只看一半的流線圖，圖3和圖4為兩個(gè)工況的流線圖。

由圖3、圖4可知:工況四時(shí)，一級(jí)導(dǎo)葉區(qū)域的流線比較均勻，一級(jí)轉(zhuǎn)輪的進(jìn)口撞擊較小，一級(jí)轉(zhuǎn)輪的輪緣間隙流動(dòng)比較雜亂，從葉片進(jìn)口到出口有較明顯的橫向流動(dòng)，二級(jí)導(dǎo)葉的進(jìn)口水流方向有明顯的改變，且有漩渦，二級(jí)導(dǎo)葉和二級(jí)轉(zhuǎn)輪輪緣間隙處的流線比較雜亂;工況五與工況四相比，一級(jí)轉(zhuǎn)輪區(qū)域的橫向流動(dòng)更為明顯，且一級(jí)轉(zhuǎn)輪的出水邊有很明顯的漩渦。

3.3 初選方案葉片壓力等值線的對(duì)比

從Tecplot中處理后的壓力圖知，工況四和工況五的一級(jí)導(dǎo)葉、一級(jí)轉(zhuǎn)輪和二級(jí)導(dǎo)葉的壓力等值線分布差不多，所以此處只列出二級(jí)轉(zhuǎn)輪的壓力分布圖進(jìn)行對(duì)比。圖5，圖6為兩個(gè)初選方案的二級(jí)轉(zhuǎn)輪壓力等值線圖。

由圖5、圖6可圖知:工況四時(shí)，壓力從進(jìn)水邊至出水邊降幅比較均勻，且在葉片的吸力面出現(xiàn)大量的低壓區(qū)，當(dāng)壓力小于臨界壓力的時(shí)候?qū)a(chǎn)生空化空蝕;工況五的壓力面等值線圖和工況四的差不多，但是工況五的吸力面負(fù)壓區(qū)較多，發(fā)生空化的可能性較高。

4 總結(jié)

通過(guò)效率的對(duì)比可知，工況四比工況五的效率高一點(diǎn);通過(guò)流線圖的對(duì)比，可知工況四的輪緣間隙的流動(dòng)比較復(fù)雜，工況五的一級(jí)葉片出水后有明顯的漩渦，輪緣間隙的流動(dòng)也比較復(fù)雜;通過(guò)壓力等值線的對(duì)比，可知工況五的二級(jí)葉片吸力面的負(fù)壓區(qū)比工況四多。由以上三個(gè)反面的分析，可以選定工況四為最終優(yōu)化方案，即在轉(zhuǎn)輪直徑在專(zhuān)利的基礎(chǔ)上減10 mm。

［1］陳滿華，鄭源，周大慶，等.新型環(huán)保小型水輪機(jī)節(jié)能開(kāi)發(fā)研究［J］.能源研究與利用，2007（01）:16-18.

［2］鄭源，張麗敏，尹義武，等.冷卻塔中新型混流式水輪機(jī)設(shè)計(jì)［J］.排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，11（6）:484-487.

［3］劉大凱.水輪機(jī)［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，1997.

［4］趙道利，梁武科，萬(wàn)天虎，等.燈泡貫流式水輪機(jī)輪緣間隙流動(dòng)的數(shù)值模擬［J］.西安理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，23（3）:246-250.

［5］李進(jìn)良，李承曦，胡仁喜，等.精通 FLUENT6.3流場(chǎng)分析［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2010.46-47.