冷卻塔專用新型雙級貫流式水輪機的轉輪直徑優化

黃敏，屈波，皮雪松，許卓

（1.河海大學能源與電氣學院，江蘇 南京210098;2.貴州烏江水電開發有限責任公司烏江渡水電廠，貴州遵義 563000）

0 前言

冷卻塔專用水輪機的開發，是利用冷卻塔出水口的富裕水頭［1］帶動風扇旋轉制冷，代替原有的風扇電動機，從而達到節能的目的［2］。冷卻塔中代替風扇電動機的水輪機結構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，對水輪機的性能要求較高。一般情況下，混流式的水輪機的效率較高，應用比較普遍，但是混流式水輪機帶有蝸殼，尺寸較大，所以尺寸較小的雙級貫流式水輪機就應運而生。

一般情況下，隨著水輪機尺寸增大，水輪機的效率也增加［3］。但是因為轉輪輪緣間隙的存在而產生間隙泄漏流動［4］，隨著轉輪直徑的增大，間隙泄漏的流量就越大，對水輪機的效率就有一定的影響，所以本文采用CFD軟件對雙級貫流式水輪機的第二級轉輪在不同轉輪直徑下進行數值模擬，試圖找出最優化的轉輪直徑使水輪機的效率最高。

1 水輪機的基本參數

新型雙級貫流式水輪機是由第一導葉區、第一轉輪區、第二導葉區、第二轉輪區、尾水管和旋轉軸六部分組成。它的額定水頭是Hr，額定轉速是nr。圖1為新型雙級貫流式水輪機的結構示意圖。

圖1 雙級貫流式水輪機結構圖

一級導葉的排擠系數k11，入口角度α11，出口角度α12，葉片數為z1。一級轉輪排擠系數k12，入口角度β11，出口角度β12，葉片數為z2。二級導葉的排擠系數k21，入口角度α21，出口角度α22，葉片數為z3。二級轉輪排擠系數k22，入口角度β21，出口角度β22。葉片數為z4。

2 控制方程及數值模擬

2.1 控制方程

連續方程和動量方程:水流在通過水輪機時，可以視為不可壓縮流體，即在此過程中，水的密度保持不變。流體流動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，選用標準k－ε模型［5］。k－ε模型是雙方程模型，在本數值模擬的計算中具有較好的收斂性和穩定性。k－ε模型中，變量k和ε是兩個基本未知量。

式中，Gk為由于平均速度梯度引起的湍動能k的產生項，Gb為由于浮力引起的湍動能k的產生項，YM代表可壓湍流中脈動擴張的貢獻，C1ε，C2ε，C3ε是經驗常數，σk和 σε分別是與湍動能k和耗散率ε對應的Prandtl數，Sk和Sε是用戶定義的源項。

2.2 數值模擬

在保證進口、出口和過流斷面面積不變，并且考慮水輪機的導葉和轉輪均有2 mm的間隙泄漏的前提下，選取6個工況進行數值模擬。工況一:轉輪半徑在原有的尺寸基礎上上加5 mm;工況二:原有尺寸;工況三:轉輪半徑在原有的尺寸基礎上減5 mm;工況四:轉輪半徑在原有的尺寸基礎上減10 mm;工況五:輪半徑在原有的尺寸基礎上減12 mm;工況六:轉輪半徑在原有的尺寸基礎上減15 mm。

對上述6個工況分別用Fluent的前處理器Gambit進行三維建模并劃分網格，之后導入Fluent中進行計算。進口面的邊界條件均設為PRESSURE_INLET，壓力P=ρgh。出口的邊界條件為PRESSURE_OUTLET。壁面采用無滑移邊界條件。

3 計算結果及分析

3.1 初選方案的確定

表1 不同工況的換轉效率

圖2為各個工況點的效率對比值:

有上圖可知，通過6個工況效率的對比，可以選定工況四和工況五為初選方案，以下再通過整個流道的流線、葉面的壓力等值線的分析，來最終確定最優方案。

圖2 各個工況點的效率對比值

3.2 初選方案的流線對比

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

由圖3、圖4可知:工況四時，一級導葉區域的流線比較均勻，一級轉輪的進口撞擊較小，一級轉輪的輪緣間隙流動比較雜亂，從葉片進口到出口有較明顯的橫向流動，二級導葉的進口水流方向有明顯的改變，且有漩渦，二級導葉和二級轉輪輪緣間隙處的流線比較雜亂;工況五與工況四相比，一級轉輪區域的橫向流動更為明顯，且一級轉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比

從Tecplot中處理后的壓力圖知，工況四和工況五的一級導葉、一級轉輪和二級導葉的壓力等值線分布差不多，所以此處只列出二級轉輪的壓力分布圖進行對比。圖5，圖6為兩個初選方案的二級轉輪壓力等值線圖。

由圖5、圖6可圖知:工況四時，壓力從進水邊至出水邊降幅比較均勻，且在葉片的吸力面出現大量的低壓區，當壓力小于臨界壓力的時候將產生空化空蝕;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壓區較多，發生空化的可能性較高。

4 總結

通過效率的對比可知，工況四比工況五的效率高一點;通過流線圖的對比，可知工況四的輪緣間隙的流動比較復雜，工況五的一級葉片出水后有明顯的漩渦，輪緣間隙的流動也比較復雜;通過壓力等值線的對比，可知工況五的二級葉片吸力面的負壓區比工況四多。由以上三個反面的分析，可以選定工況四為最終優化方案，即在轉輪直徑在專利的基礎上減10 mm。

［1］陳滿華，鄭源，周大慶，等.新型環保小型水輪機節能開發研究［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設計［J］.排灌機械工程學報，2010，11（6）:484-487.

［3］劉大凱.水輪機［M］.北京:中國水利水電出版社，1997.

［4］趙道利，梁武科，萬天虎，等.燈泡貫流式水輪機輪緣間隙流動的數值模擬［J］.西安理工大學學報，2007，23（3）:246-250.

［5］李進良，李承曦，胡仁喜，等.精通 FLUENT6.3流場分析［M］.北京:化學工業出版社，2010.46-47.