水輪機(jī)模式液力透平新型空間導(dǎo)葉的設(shè)計(jì)和性能分析

蔣雨煊，雷華宇

（1.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450046；2.河北豐寧抽水蓄能有限公司，河北 承德 068350）

液力透平裝置常被應(yīng)用于礦業(yè)、電力和工業(yè)領(lǐng)域。現(xiàn)階段，大多數(shù)液力透平裝置均將反轉(zhuǎn)泵或泵式作為流道[1]。但是近年來(lái)有學(xué)者提出，除了泵式流道，使用一種新型的超低比轉(zhuǎn)速水輪機(jī)作為液力透平流道，能有效解決泵式流道在效率低、高效區(qū)窄方面的問題。研究表明，水輪機(jī)模式的液力透平裝置擁有較好的流態(tài)，性能穩(wěn)定[2-4]。

在對(duì)水輪機(jī)模式液力透平的研究中發(fā)現(xiàn)，級(jí)間導(dǎo)葉的損失占整個(gè)損失的30%～40%，級(jí)間導(dǎo)葉的性能好壞直接影響整個(gè)流道的性能，其重要性不容忽視。為提高液力透平裝置的效率和性能，文章設(shè)計(jì)了一種新型空間導(dǎo)葉，該導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)上徑向短、軸向長(zhǎng)，正反導(dǎo)葉連為一體，正反導(dǎo)葉直接連接，將過(guò)渡端劃分為獨(dú)立流道，葉片在三維空間上是扭曲的，同時(shí)設(shè)有導(dǎo)流殼?；趉-e 湍流模型，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，運(yùn)用CFD 技術(shù)對(duì)液力透平流道內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行分析，并基于此對(duì)整個(gè)流道的流態(tài)進(jìn)行分析。

1 實(shí)例運(yùn)用

1.1 基本參數(shù)

為深入研究新型空間導(dǎo)葉，文章選取一種超低比轉(zhuǎn)速混流式水輪機(jī)液力透平流道進(jìn)行分析，其中轉(zhuǎn)輪的基本參數(shù)Q=0.87m3/s，比轉(zhuǎn)速為50m·KW，轉(zhuǎn)速為1 500r/s，轉(zhuǎn)輪進(jìn)口直徑D1=500mm，轉(zhuǎn)輪出口直徑D2=250mm，轉(zhuǎn)輪進(jìn)口角β1=122°。根據(jù)轉(zhuǎn)輪的基本數(shù)據(jù)，計(jì)算新型空間導(dǎo)葉的基本數(shù)據(jù)如下：導(dǎo)葉進(jìn)口直徑D3=250mm，導(dǎo)葉出口直徑D4=502mm，進(jìn)口寬度和出口寬度b3=b4=50mm，中間隔板寬度b7=50mm，b5=75mm，葉片數(shù)為10。

1.2 實(shí)體建模

根據(jù)基本參數(shù)，畫出所需型號(hào)的新型空間導(dǎo)葉的平面設(shè)計(jì)圖，在平面設(shè)計(jì)圖上確定三維空間中圓柱坐標(biāo)的R、θ、Z值。在Creo 軟件上輸入圓柱坐標(biāo)，生成空間點(diǎn)，再由點(diǎn)生線、線生面，將所生成的面加厚，根據(jù)陣列所需導(dǎo)葉葉片個(gè)數(shù)，建出新型空間導(dǎo)葉的實(shí)體模型，如圖1 所示。

考慮到之后導(dǎo)入CFD 進(jìn)行數(shù)值分析需要實(shí)際水體的模型，將建立好的水體模型與液力透平流道的其他部件組合出一個(gè)完整的兩級(jí)液力透平流道，具體如圖2 所示，為進(jìn)一步CFD 數(shù)值模擬分析做準(zhǔn)備。

圖1 新型空間導(dǎo)葉實(shí)體圖

圖2 液力透平模型

1.3 CFD 數(shù)值計(jì)算

基于ICEM 對(duì)液力透平流道的各個(gè)部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，通過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析，最終確定整個(gè)流道的網(wǎng)格數(shù)為551 503。

以標(biāo)準(zhǔn)k-e 湍流模型得到的穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)作為初流場(chǎng)。進(jìn)口的邊界條件設(shè)為速度進(jìn)口，出口的邊界調(diào)節(jié)設(shè)為無(wú)壓出流，根據(jù)固壁處邊界條件設(shè)為無(wú)滑移邊界調(diào)節(jié)，耦合面采用“interface”，最終得到的模擬計(jì)算值如表1 所示。

表1 新型空間導(dǎo)葉水力性能結(jié)果

2 新型空間導(dǎo)葉的性能分析

2.1 新型空間導(dǎo)葉流態(tài)及流動(dòng)損失

CFD 數(shù)值模擬結(jié)果顯示，在整個(gè)流道中轉(zhuǎn)輪和級(jí)間導(dǎo)葉的損失最大，直接影響整個(gè)液力透平的性能和效率。CFD-post 中導(dǎo)出二級(jí)轉(zhuǎn)輪和新型空間導(dǎo)葉的速度矢量圖，如圖3、圖4 所示。由此可見，新型空間導(dǎo)葉進(jìn)水面導(dǎo)葉間出現(xiàn)了空白區(qū)，無(wú)液體流進(jìn)，因?yàn)檫M(jìn)水面導(dǎo)葉彎曲角θ過(guò)小，使液體在進(jìn)入導(dǎo)葉后速度環(huán)量驟變，從而產(chǎn)生空白區(qū)；過(guò)渡區(qū)流線與外圓切線方向近似平行，表明單獨(dú)的流道使過(guò)渡區(qū)內(nèi)的各流線互不干擾，液體均勻過(guò)渡，進(jìn)入下一級(jí)轉(zhuǎn)輪。

圖3 新型空間導(dǎo)葉內(nèi)部流態(tài)

圖4 二級(jí)轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流態(tài)

轉(zhuǎn)輪進(jìn)口處出現(xiàn)小區(qū)域的空白，空白區(qū)的出現(xiàn)使液體局部偏流，是因?yàn)榧?jí)間導(dǎo)葉出口角與所接轉(zhuǎn)輪進(jìn)口角不匹配。除首級(jí)轉(zhuǎn)輪不受級(jí)間導(dǎo)葉影響外，其余級(jí)轉(zhuǎn)輪的入流條件直接受級(jí)間導(dǎo)葉的影響。設(shè)計(jì)的級(jí)間導(dǎo)葉出口角過(guò)小，液體沒有一個(gè)與轉(zhuǎn)輪能夠平行的速度環(huán)量進(jìn)入轉(zhuǎn)輪，導(dǎo)致間隙損失增大，所接轉(zhuǎn)輪出現(xiàn)偏流。級(jí)間導(dǎo)葉與所接轉(zhuǎn)輪的匹配程度對(duì)整體效率有重要影響。

2.2 新型空間導(dǎo)葉的不同工況性能

水輪機(jī)模式液力透與泵式流道相比，性能穩(wěn)定，高效區(qū)更廣，為探究采用新型空間導(dǎo)葉的水輪機(jī)模式液力透平高效范圍，分別選取0.6Q、0.8Q、Q、1.2Q四種流量工況，通過(guò)計(jì)算分析，得到的結(jié)果如表2 所示。

表2 不同工況下的水力性能

結(jié)果表明，在四種不同流量工況下，整體的效率波動(dòng)不大，相對(duì)平穩(wěn)，最大僅相差6.7%，且除了0.6Q流量工況下的效率為68.2%，其他流量工況均在74%左右。

3 結(jié)論

1）新型空間導(dǎo)葉結(jié)合傳統(tǒng)空間導(dǎo)葉和徑向正反導(dǎo)葉的特點(diǎn)，葉片采用扭曲三角形法繪制，葉片為空間三維扭曲形狀，正反導(dǎo)葉連為一體，均勻地將整個(gè)流道劃分為光滑且互不干擾的單獨(dú)流道，流態(tài)順暢，整個(gè)流態(tài)較好，性能較優(yōu)。

2）轉(zhuǎn)輪和級(jí)間導(dǎo)葉的損失占整個(gè)流道損失的60%～70%，是影響整個(gè)流道性能的重要因素。除首級(jí)轉(zhuǎn)輪外，其余級(jí)轉(zhuǎn)輪的入流條件直接受級(jí)間導(dǎo)葉影響，為轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)相匹配的級(jí)間導(dǎo)葉對(duì)整個(gè)液力透平裝置有至關(guān)重要的影響。