蝸殼軸向出流式低比轉(zhuǎn)數(shù)水輪機(jī)設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬

毛秀麗 李春華 屈 波 鄭 源 栗文玲 章 勛

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑學(xué)院， 陜西楊凌 712100； 2.南京汽輪電機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司， 南京 210037；3.河海大學(xué)水利水電學(xué)院， 南京 210098； 4.國網(wǎng)新源檢修分公司, 北京 100068)

0 引言

小水電裝置是提高電力系統(tǒng)供電可靠性和供電質(zhì)量的重要方式，其正逐步向低水頭發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域也在逐步拓寬，某些地區(qū)甚至建立了豐水期小水電功率輸出為主的局域網(wǎng)[1]。另一方面，水動(dòng)冷卻塔在工業(yè)中運(yùn)用也越來越廣泛，冷卻塔按照通風(fēng)方式可分為自然通風(fēng)和動(dòng)力通風(fēng)兩類，由于動(dòng)力通風(fēng)效果相對(duì)自然通風(fēng)要好且能滿足各個(gè)不同場合的不同程度要求，其應(yīng)用領(lǐng)域最廣，數(shù)量也最多[2]。但是大多數(shù)冷卻塔風(fēng)能裝置由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，所消耗的電能相當(dāng)巨大，而對(duì)循環(huán)冷卻塔出口具有4～15 m的冗余水頭并未加以利用[3]。基于上述兩方面原由，設(shè)計(jì)一種高效小巧的低比轉(zhuǎn)數(shù)水輪機(jī)對(duì)小水電的發(fā)展意義重大，同時(shí)作為冷卻塔直驅(qū)裝置帶動(dòng)風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)對(duì)節(jié)能減排有重要的意義。

與水電站不同的是，水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)若能考慮冷卻塔結(jié)構(gòu)，會(huì)對(duì)冷卻塔通風(fēng)效果極為有利。已有學(xué)者對(duì)利用冷卻塔冗余水頭作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)風(fēng)力機(jī)進(jìn)行了一定的研究。李延頻等[4]針對(duì)冷卻塔水輪機(jī)工作在串聯(lián)的有壓水流系統(tǒng)和低比轉(zhuǎn)數(shù)兩大特點(diǎn)，給出了適用于冷卻塔的水輪機(jī)類型和大致的參數(shù)要求；為達(dá)到更好的冷卻效果，張文俊[5]研究了冷卻塔水輪機(jī)工況調(diào)節(jié)的方式與方法；徐大榮等[6]提出了水輪機(jī)和電動(dòng)機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)的雙驅(qū)動(dòng)模式，從而利用到冷卻塔的余壓能量；LI等[7-8]研究了冷卻塔水輪機(jī)內(nèi)部流場，通過調(diào)節(jié)活動(dòng)導(dǎo)葉、調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)葉片角度等來改變水輪機(jī)運(yùn)行工況。但是現(xiàn)有的冷卻塔水輪機(jī)仍然存在效率低、振動(dòng)嚴(yán)重、噪聲大、空蝕嚴(yán)重等問題，此外對(duì)于不同的冷卻塔，其冗余水頭、工作流量、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和軸功率都不一樣，課題組針對(duì)這些問題設(shè)計(jì)出了一系列適用于特定冷卻塔的機(jī)組[9-10]。然而對(duì)于已開發(fā)的各類冷卻塔水輪機(jī)在包括外形尺寸、內(nèi)流場特性等方面仍有不足，需要進(jìn)一步提高改善。

高性能計(jì)算機(jī)的發(fā)展促進(jìn)了計(jì)算流體力學(xué)CFD技術(shù)的廣泛應(yīng)用，不少學(xué)者使用CFD技術(shù)分析水力機(jī)械內(nèi)部流場特性，并將水輪機(jī)數(shù)值模擬研究成果應(yīng)用于水輪機(jī)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)[11-12]；已有文獻(xiàn)通過對(duì)CFD數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，驗(yàn)證了CFD數(shù)值模擬手段的可靠性[13-14]。本文基于冷卻塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一種低比轉(zhuǎn)數(shù)水輪機(jī)，并采用數(shù)值模擬方法分析所設(shè)計(jì)的模型。

1 水輪機(jī)設(shè)計(jì)

在滿足一般小水電電站要求的基礎(chǔ)上，為了更好地滿足冷卻塔結(jié)構(gòu)所設(shè)計(jì)的水輪機(jī)，不僅能高效利用冗余水頭，且機(jī)型結(jié)構(gòu)更要有利于冷卻塔內(nèi)通風(fēng)，課題組對(duì)冷卻塔水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)配合性能優(yōu)化進(jìn)行了研究，經(jīng)對(duì)各個(gè)方案分析，最終得到了本文所述的低比轉(zhuǎn)數(shù)水輪機(jī)(圖1)。本文對(duì)蝸殼流線及其型線進(jìn)行了設(shè)計(jì)，以達(dá)到結(jié)構(gòu)方面的要求。基于初步設(shè)計(jì)方案在效率達(dá)到85%以上后，精細(xì)優(yōu)化的內(nèi)容主要包括導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪葉片的進(jìn)出口角度和型線。

圖1 設(shè)計(jì)模型二維圖Fig.1 2D schemes of designed model1.蝸殼 2.導(dǎo)葉 3.尾水管 4.轉(zhuǎn)輪

1.1 蝸殼

圖1a為機(jī)組整體剖視圖。主要過流區(qū)域包含：蝸殼、導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪以及尾水管。新設(shè)計(jì)蝸殼采用軸向出流方式，使其徑向尺寸約為相似常規(guī)水輪機(jī)的一半,除降低機(jī)組造價(jià)成本外，更有利于冷卻塔內(nèi)通風(fēng)。

根據(jù)圓柱層無關(guān)性假設(shè)，假定水流絕對(duì)速度在半徑方向的分速度為零，則蝸殼內(nèi)的水流流面為一圓柱面，各相鄰圓柱面之間的水流質(zhì)點(diǎn)沒有相對(duì)位移，因此蝸殼內(nèi)的流動(dòng)理想上是軸對(duì)稱的有勢圓柱面流動(dòng)[15]，從而認(rèn)為水流絕對(duì)速度的軸向分速是勻速的，且整個(gè)流域速度矩為一常數(shù)。結(jié)合二元理論和螺旋勢流來設(shè)計(jì)蝸殼流線，以蝸殼鼻端所在位置起閉合360°可看作是圓周(記作蝸殼圓周)，則水流自外沿圓周方向切向進(jìn)入蝸殼，從蝸殼出口軸向流出，將水流徑向流動(dòng)看作是匯，切向速度看作是渦，則流動(dòng)可近似為渦和匯的疊加，從而以螺旋流形式設(shè)計(jì)蝸殼流線。在極坐標(biāo)下水流復(fù)勢可表示為

Qφ+Γlnr=const

(1)

式中Q——流量φ——?jiǎng)莺瘮?shù)

Γ——環(huán)量

r——任意位置到旋轉(zhuǎn)中心的徑向半徑

可以得到，在極坐標(biāo)(r,φ)中，流線方程為

r=Ce-Qφ/Γ

(2)

式中C——由邊界條件φ=φ0及r=r0求得的常系數(shù)

式(2)表征蝸殼的流線為對(duì)數(shù)渦線，這些流線中的一條可選為蝸殼邊壁型線。

因?yàn)槔@蝸殼圓周速度環(huán)量值相等:Γ=2πVur(Vu表示質(zhì)點(diǎn)在半徑r處的圓周速度)，另一方面從對(duì)數(shù)渦線的特性知，由渦線與任意半徑向量所組成的夾角是恒量，則Γ與Q呈正比變化，即

r=Ce-Qφ/(2πk)

(3)

其中k=Vur，表示速度矩常數(shù)。蝸殼內(nèi)的圓周速度和徑向速度可表示為

(4)

式中Vr——質(zhì)點(diǎn)在半徑r處的徑向速度

ψ——流函數(shù)

速度矢量與徑向速度夾角δ求解公式為

tanδ=Vu/Vr=-Γ/Q=const

蝸殼設(shè)計(jì)要求在結(jié)構(gòu)條件和經(jīng)濟(jì)條件許可的情況下采用較大的過流斷面，以使水流能均勻地進(jìn)入導(dǎo)葉四周；為保證向?qū)畽C(jī)構(gòu)均勻供水，蝸殼斷面面積應(yīng)逐漸減小，同時(shí)需在導(dǎo)水機(jī)構(gòu)前形成必要的環(huán)量以減輕導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的工作強(qiáng)度；在流速系數(shù)相同的條件下，橢圓形截面設(shè)計(jì)有利于減小蝸殼的控制尺寸[16]。蝸殼外形設(shè)計(jì)呈等角螺線形狀，基于給定的額定水頭、額定流量、導(dǎo)水結(jié)構(gòu)高度以及座環(huán)尺寸，可根據(jù)等速度矩法推導(dǎo)蝸殼尺寸計(jì)算公式，確定蝸殼各斷面的形狀和尺寸。取蝸殼任意一斷面，其單位面積在二維坐標(biāo)系中可表示為

dA=ydx

(5)

式中A——單元面積x——x方向距離

y——y方向距離

該斷面流量可以表述為

(6)

式中RG——導(dǎo)葉最高點(diǎn)的半徑

RV——蝸殼截面最外緣半徑

將式(5)代入式(6)有

(7)

則橢圓蝸殼斷面計(jì)算式為

(8)

式中a、b——橢圓蝸殼截面長、短半軸長度

r0——斷面中心點(diǎn)到水輪機(jī)轉(zhuǎn)軸的距離

圖1b所示為等角螺旋線蝸殼及其部分截面示意圖。

1.2 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)

本文所涉及的導(dǎo)水機(jī)構(gòu)主要作用是引導(dǎo)來自蝸殼軸向出流的水流，并在其進(jìn)入轉(zhuǎn)輪前形成必要的均勻環(huán)量；此外，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的正常功能還包含當(dāng)機(jī)組需要改變工況、啟停機(jī)時(shí)均需調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度來配合實(shí)現(xiàn)[11,17]。

傳統(tǒng)水電站水輪機(jī)的導(dǎo)葉包含雙列葉片，可細(xì)分為活動(dòng)導(dǎo)葉和固定導(dǎo)葉,其中：活動(dòng)導(dǎo)葉在疏導(dǎo)水流的同時(shí)，其主要作用在于調(diào)節(jié)流量，而固定導(dǎo)葉只有引流的作用。與傳統(tǒng)電站水輪機(jī)導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)不同的是：鑒于冷卻塔內(nèi)冷卻水流量和冗余水頭的變化幅度不大，為了減小水輪機(jī)尺寸，降低水輪機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)量的影響，新設(shè)計(jì)的導(dǎo)葉既需調(diào)節(jié)流量，又需起到導(dǎo)流和軸向荷載支撐的作用。另一方面，為了連接軸向出水的蝸殼，導(dǎo)葉布置也不同于常規(guī)水輪機(jī)。

同時(shí)在葉型結(jié)構(gòu)的選擇上：現(xiàn)有的導(dǎo)葉葉型分為正曲率葉型、負(fù)曲率葉型和對(duì)稱葉型。正曲率葉型可以減小環(huán)量，多用于高比轉(zhuǎn)數(shù)水輪機(jī)；負(fù)曲率葉型可以增加環(huán)量，多用于低比轉(zhuǎn)數(shù)水輪機(jī)；而對(duì)稱葉型則多用于中比轉(zhuǎn)數(shù)水輪機(jī)和可逆式水泵水輪機(jī)。本文涉及的應(yīng)用在冷卻塔的水輪機(jī)均屬于低比轉(zhuǎn)數(shù)水輪機(jī)，宜采用負(fù)曲度葉型的導(dǎo)葉，以增加進(jìn)入轉(zhuǎn)輪前的水流環(huán)量。

圖2 導(dǎo)葉葉型和轉(zhuǎn)輪葉片葉型示意圖Fig.2 Airfoils of guide vane and runner blade

1.3 轉(zhuǎn)輪

為適應(yīng)冷卻塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)，采用反擊式環(huán)形葉片作功有利于降低水輪機(jī)比轉(zhuǎn)數(shù)，且所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)輪需要具有良好的作功特性和汽蝕特性，其需要滿足:水力損失小，效率高；在一定水頭條件下比轉(zhuǎn)數(shù)略高，使單位流量或單位轉(zhuǎn)速增大，從而機(jī)組的尺寸和質(zhì)量減小；同時(shí)機(jī)組需要滿足良好的汽蝕性能以及良好的穩(wěn)定性，以保證水輪機(jī)運(yùn)行壽命。

本文按照一元理論設(shè)計(jì)了一種超短葉片，首先根據(jù)軸面水流過水?dāng)嗝嫔蟅m(過流速度)均勻分布的規(guī)律，畫出軸面流線，即確定流道中的流面。在回轉(zhuǎn)流面上確定葉片的骨線之后,采用近似圓錐展開面上加厚的方法再對(duì)葉型骨線進(jìn)行加厚。轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)葉的設(shè)計(jì)相似，同樣采用負(fù)曲率葉型，水流軸向分速度為常量。葉片為三維后傾式空間葉片，葉片入口處切線垂直于中線。隨著葉片入流角β1(圖2b)的增大，葉片彎曲程度增加，這將導(dǎo)致水流在轉(zhuǎn)輪中的損失增大；相反地，隨著β1的減小，葉片厚度對(duì)流道會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的排擠，根據(jù)先前冷卻塔系列專用水輪機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)[9-10]，β1的設(shè)計(jì)應(yīng)在0°～90°的范圍內(nèi),考慮到本文中葉片的特殊結(jié)構(gòu)，β1取90°。此外，所設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)輪出口為法向出流，即轉(zhuǎn)輪葉片出口角β2與水輪機(jī)比轉(zhuǎn)數(shù)不相關(guān)。與導(dǎo)葉優(yōu)化準(zhǔn)則相似，最終轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)目為24，圖2b所示即為轉(zhuǎn)輪葉片示意圖。

1.4 尾水管

反擊式水輪機(jī)都應(yīng)具備尾水管出流部件，其主要作用是將轉(zhuǎn)輪出口的水流順利地引入下游的布水器和噴嘴；在轉(zhuǎn)輪后形成靜力真空和動(dòng)力真空，將轉(zhuǎn)輪出口能量的一部分變成作用于轉(zhuǎn)輪的壓力能，起到回收能量、提高水輪機(jī)效率的效果。直錐型尾水管具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、恢復(fù)系數(shù)高等特點(diǎn)，常用于中小型水電站中。另一方面，考慮到冷卻塔結(jié)構(gòu)以及水輪機(jī)工作條件，設(shè)計(jì)圓柱形尾水管最合適，對(duì)應(yīng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪出水形式，環(huán)形尾水管出水模式將尾水接入對(duì)稱布置的4個(gè)布水管(圖3)，均勻出水在很大程度上改善了尾水管內(nèi)流場，同時(shí)可使水輪機(jī)直接安裝在冷卻塔中心基座上，水輪機(jī)整機(jī)示意圖如圖1所示。不同于已有尾水管結(jié)構(gòu)形式，環(huán)形尾水管結(jié)構(gòu)與直錐段尾水管結(jié)構(gòu)相比，尾水管內(nèi)流場無任何渦旋狀態(tài)，且4個(gè)布水管的設(shè)置不僅有利于機(jī)組裝機(jī)結(jié)構(gòu)布置，更滿足了尾水管內(nèi)足夠的出流空間。

圖3 尾水管4個(gè)布水管截面圖Fig.3 Sectional view of four water distribution pipes on draft tube

2 數(shù)值模擬分析

圖4所示為由SOLIDEDGE軟件生成的三維計(jì)算模型，該模型網(wǎng)格劃分在ICEM中進(jìn)行，利用ANSYS CFX進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，結(jié)果分析通過CFX- POST和Matlab處理。本文水輪機(jī)模型設(shè)計(jì)水頭為7.5 m，流量為2 100 m3/s,轉(zhuǎn)速n=107 r/min，水輪機(jī)模型蝸殼出口，導(dǎo)葉出口直徑為1.25 m，導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)分別為26與24，導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪高為0.128 m,導(dǎo)葉開度為0.062 m。

圖4 水輪機(jī)模型計(jì)算水體域Fig.4 Representation of main zones of turbine model1.進(jìn)口 2.蝸殼 3.導(dǎo)葉 4.轉(zhuǎn)輪 5.尾水管 6.出口

2.1 網(wǎng)格劃分及其邊界條件

網(wǎng)格的正確劃分對(duì)數(shù)值計(jì)算的精確性尤為重要[11]，本文在進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算前，對(duì)模型所劃分的網(wǎng)格進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證。由于本文側(cè)重于模型外特性參數(shù)性能，經(jīng)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格數(shù)目對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較小，因此最終網(wǎng)格總數(shù)約為4×106個(gè)單元,其中轉(zhuǎn)輪區(qū)域和導(dǎo)葉區(qū)域分別約1.8×106個(gè)單元和1.5×106個(gè)單元，圖5所示為水輪機(jī)水體域局部放大網(wǎng)格。蝸殼區(qū)域?yàn)榉墙Y(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪和尾水管區(qū)域采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，并且導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪葉片均采用了O型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)以保證較好地捕捉到葉片近壁面流動(dòng)特征。

圖5 模型局部放大網(wǎng)格Fig.5 Details of model mesh

蝸殼進(jìn)口邊界設(shè)置總壓,假定壓強(qiáng)方向垂直于蝸殼進(jìn)口截面；由于尾水管出口流態(tài)相對(duì)復(fù)雜，采用Opening狀態(tài)下Entrainment的壓力設(shè)置；假設(shè)固壁上流體的速度與固壁之間的相對(duì)速度為零，壁面無滑移，在臨近固壁區(qū)域則采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。兩兩流域之間的三組交界面由GGI相連接，收斂設(shè)置均方根精度為10-5。

在湍流模型的選擇上既要滿足保持簡單形式的渦粘模式，也要能夠包含雷諾應(yīng)力的松弛性質(zhì)。本文湍流模型選用SSTk-ω湍流模型，該湍流模型融合了k-ω模型和k-ε模型的優(yōu)點(diǎn)，k-ω模型在近壁區(qū)域能夠利用其較好的魯棒性捕捉粘性底層的流動(dòng)，而k-ε模型可在水流核心區(qū)域發(fā)揮其優(yōu)勢，提高計(jì)算效率[18]。SST模型的最大優(yōu)點(diǎn)就是考慮了湍流剪切應(yīng)力，從而不會(huì)對(duì)渦流粘度造成過度預(yù)測。此外，已有不少學(xué)者的成果證明了SSTk-ω湍流模型有較好的能力捕捉到流場細(xì)節(jié)[19-20],其方程見文獻(xiàn)[21]。

本文中流場特性可通過在時(shí)域和頻域內(nèi)的壓力監(jiān)測值進(jìn)行分析，圖6是水輪機(jī)模型葉片上監(jiān)測點(diǎn)位置圖。

圖6 監(jiān)測點(diǎn)分布Fig.6 Locations of monitoring points

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果

圖7a所示為整體流道內(nèi)流線，水輪機(jī)內(nèi)部水流從葉片進(jìn)口邊均勻流至出口邊沒有明顯的脫流、回流、橫向流動(dòng)等二次流現(xiàn)象,內(nèi)部整體流態(tài)良好，流道內(nèi)幾乎無回流漩渦等狀況。蝸殼內(nèi)水流周向速度分布均勻，符合蝸殼斷面水流平均速度周向分量Vu為常數(shù)的設(shè)計(jì)理論；各個(gè)部件軸向出水流速均勻，整體流線平滑。對(duì)于常規(guī)水輪機(jī)結(jié)構(gòu)，尾水管進(jìn)口水流旋渦的存在是由轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的[16]，但是對(duì)于本文中新型環(huán)形尾水管并無此現(xiàn)象，該尾水管內(nèi)流態(tài)穩(wěn)定，流速在尾水管內(nèi)基本呈現(xiàn)軸向速度出流。

圖7 水輪機(jī)內(nèi)部流場Fig.7 Internal flow field of turbine

圖7b為導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪區(qū)域內(nèi)矢量流線和葉片壓力圖，蝸殼出水經(jīng)由導(dǎo)葉時(shí)由于其流道變窄，導(dǎo)葉內(nèi)水流速度逐漸增加；由于轉(zhuǎn)輪作為旋轉(zhuǎn)部件，水流周向速度的增加，反而使得水流絕對(duì)速度減小。導(dǎo)葉出流的沖擊及轉(zhuǎn)輪內(nèi)水流方向隨著葉片形狀的急劇改變，水流流速在轉(zhuǎn)輪進(jìn)口處達(dá)到最大值，葉片背面的流速大于正面的流速；兩個(gè)表面的水流均比較均勻，由進(jìn)水邊至出水邊流動(dòng)順暢，不存在脫流、回流、橫向流等二次流動(dòng)現(xiàn)象，總體流動(dòng)情況良好；在葉片進(jìn)水邊區(qū)域水流速度要小于葉片出水邊區(qū)域，沿著流道方向，流速逐漸增大，壓力不斷減小。此外，葉片的最低壓力高于汽化壓力，說明轉(zhuǎn)輪在運(yùn)行過程中能夠擁有較好的空化和空蝕性能。

另一方面，從圖7b中導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪葉片上壓力分布云圖可以看出，導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪葉片上壓力梯度明顯，壓力分布合理，不管是從導(dǎo)葉進(jìn)口到出口，還是轉(zhuǎn)輪進(jìn)口到出口，壓力分布均呈現(xiàn)遞減的規(guī)律，符合基本做功原理。同時(shí)，轉(zhuǎn)輪葉片壓力面和吸力面的壓力相差較大，轉(zhuǎn)輪做功能力強(qiáng)。

圖8是監(jiān)測點(diǎn)壓力，其中橫坐標(biāo)為時(shí)間系數(shù)Tf=t/tmax(t為時(shí)間，tmax為最大時(shí)間)。圖8a所示為導(dǎo)葉上各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)(圖6b)壓力，導(dǎo)葉吸力面的監(jiān)測值(G1、G2、G3、G4)整體低于壓力面監(jiān)測值(G6、G7、G8、G9)，圖8a導(dǎo)葉上壓力分布也說明了這點(diǎn)。導(dǎo)葉尾部(G5)壓力最低，大約僅是進(jìn)口壓力的一半，主要是因?yàn)榱鞯雷冋沟昧魉僭龃?，部分壓力能已轉(zhuǎn)換為動(dòng)能。此外，沿著導(dǎo)葉流道方向，監(jiān)測到的壓力不同程度上減小表示了壓力能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能的程度不同。對(duì)于壓力面監(jiān)測點(diǎn)(G6、G7、G8、G9)所監(jiān)測到的壓力，從導(dǎo)葉進(jìn)口到出口壓力最大減小大約為10%，而對(duì)于吸力面的監(jiān)測值(G1、G2、G3、G4)沿著流道方向壓力減小量大于30%。盡管沿著流道方向壓力在壓力面減小比吸力面快，但是壓力面整體壓力仍高于吸力面，符合設(shè)計(jì)理論。

圖8 監(jiān)測點(diǎn)壓力Fig.8 Pressure acquired from monitoring points

圖8b所示為轉(zhuǎn)輪葉片上各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)(圖6a)壓力，與導(dǎo)葉監(jiān)測相似的是在葉片尾部(B5)壓力最低，但不同的是葉片尾部壓力到穩(wěn)定值耗時(shí)比其他監(jiān)測位置長，一方面原因是轉(zhuǎn)輪出口流態(tài)相對(duì)于其他區(qū)域更為復(fù)雜，另一方面原因是葉片尾部極為靠近尾水管進(jìn)口，尾水管內(nèi)軸向流向與葉片出口角之間存在一定的夾角。葉片吸力面(B6、B7、B8、B9)壓力均高于壓力面，說明靠近壓力面的區(qū)域作功多。此外，在葉片進(jìn)口1/3流道吸力面位置(B8)壓力勢能高于其他位置，主要原因是為了滿足壓力面作功的要求，此處葉型曲率最大，流速在經(jīng)過此處靠近吸力面區(qū)域時(shí)，流向改變使得沿流線分速度減小，但在稍偏后于此位置流速得到回升(B7)。

從流場流態(tài)來看，新研發(fā)的水輪機(jī)運(yùn)行性能良好。而判定一種新型水輪機(jī)價(jià)值的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)是效率和水力損失，因此，盡可能地減少水力損失是水輪機(jī)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容[21]。

表1所示為某些參數(shù)設(shè)計(jì)值和數(shù)值計(jì)算結(jié)果的對(duì)比,效率計(jì)算值比設(shè)計(jì)初步效率偏低(基本相等)，原因是計(jì)算水力損失總值偏高于設(shè)計(jì)值。與設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)估水力損失相比，數(shù)值計(jì)算所得水力損失誤差不高于5%。在所有部件水力損失中，其中對(duì)于新型環(huán)形尾水管，其損失相對(duì)于現(xiàn)有的其他形式尾水管最小[9-10]，并且尾水管水力損失所占比重相對(duì)其他過流部件較小。蝸殼內(nèi)損失主要出現(xiàn)在靠近導(dǎo)葉的位置，水力損失主要集中在帶有葉片的區(qū)域，由于導(dǎo)葉葉間流道縮小了法向過流面積。而對(duì)于導(dǎo)葉內(nèi)的損失主要部分是在轉(zhuǎn)輪前端形成一定的環(huán)量，導(dǎo)葉翼型和轉(zhuǎn)輪葉片翼型的協(xié)聯(lián)是另外一個(gè)原因。

表1 水輪機(jī)設(shè)計(jì)值與計(jì)算值對(duì)比Tab.1 Comparisons between design values andnumerical data

3 結(jié)論

(1)所設(shè)計(jì)的水輪機(jī)的蝸殼軸向出水方式使得水輪機(jī)徑向尺寸大大減小,降低了機(jī)組的成本造價(jià)；反擊式環(huán)形葉片作功從很大程度上降低了水輪機(jī)比轉(zhuǎn)數(shù)；尾水接入對(duì)稱布置的4個(gè)布水管改善了尾水管內(nèi)流場，同時(shí)尾水管的這種結(jié)構(gòu)可使水輪機(jī)直接安裝在冷卻塔中心基座上。

(2)水體域數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表明：結(jié)合二元理論和螺旋勢流所設(shè)計(jì)的蝸殼出口速度滿足等速度矩定律；采用軸向出水方式的反擊式水輪機(jī)的流場分布符合要求；水輪機(jī)預(yù)測效率約90%，機(jī)組整體性能良好，且各部分損失較小，尤其是尾水管區(qū)域。

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