導(dǎo)葉開度對徑向葉片式液力透平性能影響研究

紀(jì)運廣，徐洋洋，李洪濤，Micheal Oklejas，薛樹旗

(1.河北科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050018； 2.Oklejas Turbo Solutions LLC，Ann Arbor，MI 48103，USA)

液力透平通過把液體的動能和壓力能轉(zhuǎn)化為葉輪的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能實現(xiàn)能量回收，已廣泛用于反滲透海水淡化、化工、冶金等領(lǐng)域[1-3]。許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)在葉輪式流體機(jī)械的葉片前添加導(dǎo)葉，可以改善葉輪入流狀態(tài)，從而提高其效率和運行穩(wěn)定性，如G Ventrone等[4]發(fā)現(xiàn)反轉(zhuǎn)泵式透平在其蝸殼與葉輪之間添加導(dǎo)葉后有更好的引流作用，并且進(jìn)行了相應(yīng)的理論計算和實驗驗證；楊軍虎、史廣泰、史鳳霞[5-7]等在離心泵主要水力部件不變的情況下，在葉輪前端添加導(dǎo)葉反轉(zhuǎn)作透平，并分析內(nèi)部流動情況，預(yù)測其性能，分別研究了導(dǎo)葉數(shù)目、進(jìn)出口角度參數(shù)等對透平運行穩(wěn)定性的影響；敏政，張忠華等[8]采用數(shù)值模擬的方法，研究了不同翼型的活動導(dǎo)葉對水輪機(jī)性能的影響；康燦[9]、Ravi Koirala等[10]以特定型號的貫流式水輪機(jī)為對象，研究了水輪機(jī)在3種不同的導(dǎo)葉開度方案下的性能變化、流場分布、空化特性等；王樂琴、劉錦濤等[11]研究了水輪機(jī)活動導(dǎo)葉在啟閉過程中處于不同開度下內(nèi)部流動及其渦量對水輪機(jī)性能的影響；譚高明等[10]研究了導(dǎo)葉相對隔舌位置在0～40°范圍內(nèi)變化對離心泵性能的影響；黃劍鋒等[12]應(yīng)用非結(jié)構(gòu)動網(wǎng)格技術(shù)對水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)關(guān)閉過程進(jìn)行動態(tài)湍流模擬，得到了活動導(dǎo)葉在調(diào)節(jié)過程中所誘發(fā)的內(nèi)部脈動情況；袁亞飛[13]的研究結(jié)果卻表明在較小流量情況下反轉(zhuǎn)式透平加入導(dǎo)葉后，雖然最佳工況點的效率有所下降，但是提升了其運行穩(wěn)定性。

導(dǎo)葉翼形、數(shù)量、開度都會影響透平性能，但導(dǎo)葉開度對透平性能影響的研究成果還很少。因此，在一給定參數(shù)的徑向葉片式透平葉輪前添加特定翼形和數(shù)量的導(dǎo)葉，通過對不同導(dǎo)葉開度下透平內(nèi)流場的仿真分析，并計算透平外部特性，從而得到最佳導(dǎo)葉開度，為液力透平的水力計算和結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

1 透平和導(dǎo)葉模型

1.1 液力透平水力模型

徑向葉片式液力透平葉輪與蝸殼的主要參數(shù)如表1所示。徑向葉片是指透平進(jìn)口葉片角為90°或者接近90°，且液流垂直于葉輪軸線流入。葉片數(shù)取為8。蝸殼采用側(cè)面出口、截面為圓形的蝸殼，擴(kuò)散段的長度采用葉輪出口直徑的4倍，且設(shè)計成1:1.1的擴(kuò)散比。將液力透平關(guān)鍵水力部件導(dǎo)入到SolidWorks中進(jìn)行裝配，全流場裝配圖如圖1所示。

表1 液力透平葉輪與蝸殼主要幾何參數(shù)

圖1 透平計算模型

1.2 導(dǎo)葉參數(shù)

導(dǎo)葉翼型采用NACA(a18sm-il)A18 (smothes)，其凹面迎向透平入流。導(dǎo)葉數(shù)目取為11，導(dǎo)葉按圓周分布，安裝在葉輪入口處，分度圓直徑D0=360 mm，導(dǎo)葉高度b0=14.5 mm，弦長l=85 mm。

導(dǎo)葉開度(Guide Vane Opening， GVO)定義為導(dǎo)葉出口液流角αd，如圖2所示，分別取GOV1=12°，GOV2=15°，GOV3=18°，以研究不同開度對透平性能的影響。圖3為3種不同導(dǎo)葉開度的導(dǎo)葉水力學(xué)模型。

圖2 導(dǎo)葉開度定義

圖3 不同開度的導(dǎo)葉水力模型

2 數(shù)值模擬條件

采用ANSYS-CFX17.0軟件對徑向葉片式液力透平進(jìn)行全流場定常數(shù)值模擬，采用Turbo Mode模式進(jìn)行前處理設(shè)置。采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，參考壓力為0，固壁面為無滑移邊界，近壁區(qū)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，葉輪轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，動靜交接面為Frozen Rotor模式，過流表面的粗糙度為50 μm，收斂殘差標(biāo)準(zhǔn)為10-5。設(shè)置壓力進(jìn)口、質(zhì)量流量出口邊界條件，介質(zhì)選擇25 ℃的水，通過調(diào)節(jié)流量，模擬透平葉輪在不同工況下的性能。

模型網(wǎng)格數(shù)量為106，此時透平揚程與效率曲線模擬結(jié)果變化范圍均小于0.5%。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 液力透平內(nèi)部流場分析

1)壓力場分布

設(shè)計工況下，3種導(dǎo)葉開度的透平內(nèi)部(中間平面和葉輪中部(50%Span))壓力場分布如圖4所示。透平自蝸殼至導(dǎo)葉間壓力較高，葉輪旋轉(zhuǎn)時導(dǎo)葉與葉輪交界面處壓力下降。透平定子部件的壓力受到導(dǎo)葉所形成的噴嘴過流面積的大小的影響。當(dāng)開度較小 (GVO1=12°)時，導(dǎo)葉對液流產(chǎn)生阻礙作用，壓力分布梯度曲線較扭曲；開度增大到GVO3=18°時，阻礙作用減小，水流進(jìn)入充分，但是壓力變化強(qiáng)烈；開度為GVO2=15°時，葉輪壓力沿流道梯度均勻分布。

圖4 不同導(dǎo)葉開度的液力透平壓力分布

2)速度場分布

當(dāng)開度較小(GVO1=12°)時，由于過流面積較小，使局部液流速度較高，造成一定的動能沖擊損失；當(dāng)導(dǎo)葉處于最佳導(dǎo)葉開度時，由于蝸殼、導(dǎo)葉、葉輪間耦合良好，內(nèi)部流動情況較為順暢，因而能量損失較?。划?dāng)導(dǎo)葉開度超過最佳開度后，由于液體脫離了流道壁面的良好約束作用，液體流動情況較為復(fù)雜。由圖5可以看出，在大開度(GVO3=18°)情況下，葉輪流道內(nèi)部出現(xiàn)了面積較大的渦流等二次流損失。

由圖6可知導(dǎo)葉開度可以明顯地改變內(nèi)部的流動狀態(tài)，由流線圖可以明顯地發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部流動狀態(tài)的改變，當(dāng)導(dǎo)葉開度為GVO2=15°時，紊流和渦旋尺寸減小，內(nèi)部流動更有規(guī)律。

3.2 導(dǎo)葉開度對透平外特性曲線的影響

圖7為不同導(dǎo)葉開度的液力透平外特性曲線。

由圖7中的流量-效率曲線可知，隨著流量的增加，3種導(dǎo)葉開度的液力透平效率先增加后降低，但最佳效率流量點沒有變化。比較圖中的效率曲線可知，當(dāng)導(dǎo)葉開度在GVO2時液力透平效率高于GVO1與GVO3的情況。流量為120 m3/h時，GVO2開度的效率為67%，比GVO1與GVO3分別高出3.4%和1.1%；流量達(dá)到透平最佳效率點160 m3/h時，GVO2開度的效率為74.9%，比GVO1與GVO3分別高出0.3%和0.4%；當(dāng)流量達(dá)到220 m3/h時，GVO2開度的效率為60.2%，比GVO1與GVO3分別高出10.4%和8.1%。這是由于隨著流量增大，小開度導(dǎo)葉對液流阻力增大，而大開度導(dǎo)葉更易形成旋渦，都會造成水力損失。

圖5 不同導(dǎo)葉開度的液力透平內(nèi)部流場速度矢量

圖6 不同導(dǎo)葉開度的液力透平內(nèi)部流線圖

圖7 不同導(dǎo)葉開度的液力透平外特性曲線

由圖7中的流量-揚程曲線可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)導(dǎo)葉開度為GVO2時液力透平揚程要高于其他2種情況，但差別較小。流量達(dá)到透平最佳效率點160 m3/h時，GVO2開度的揚程為55.3 m，比GVO1與GVO3分別高出0.5 m和0.3 m。

由圖7中的流量-軸功率曲線能夠看出，導(dǎo)葉開度在GVO2時透平軸功率輸出較多。流量達(dá)到透平最佳效率點160 m3/h時，GVO2開度的透平軸功率為38.9 kW，比GVO1與GVO3分別提高1.5 kW和1.3 kW。這是由于導(dǎo)葉在GVO2開度時，透平葉輪各流道間的壓力分布對稱性更好，有利于透平運行的平穩(wěn)性和液力壓力能與機(jī)械能之間的能量轉(zhuǎn)換。

4 結(jié) 論

1)導(dǎo)葉可將液體壓力能轉(zhuǎn)換為動能，當(dāng)導(dǎo)葉開度較小時，液流速度增大，一部分能量沖擊葉輪入口的葉片，促使葉輪旋轉(zhuǎn)做功，產(chǎn)生扭矩帶動負(fù)載，但葉輪與導(dǎo)葉之間的較小間隙會造成部分動能的損失。當(dāng)導(dǎo)葉開度過大時，液流速度相對降低，但是對液流的約束力降低，液流不能以更佳角度沖擊葉片，同樣造成能量浪費，導(dǎo)致透平內(nèi)部壓力和速度局部增大，影響液力透平的性能。

2)流場分析表明，當(dāng)導(dǎo)葉開度為15°時，較12°與18°時葉輪流道內(nèi)壓力梯度更均勻，內(nèi)部流動情況更為順暢，旋渦分布區(qū)域減少。

3)由不同導(dǎo)葉開度的液力透平外特性曲線可發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)葉開度為15°時的液力透平效率、揚程和輸出軸功率均較高于導(dǎo)葉開度為12°與18°時。流量在透平最佳效率點160 m3/h時，15°開度的效率為74.9%，比12°與18°開度分別高出0.3%和0.4%；當(dāng)流量偏離透平最佳效率點時，15°開度比12°與18°導(dǎo)葉開度的透平效率提高更多。

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