冷卻塔渦輪機(jī)全橢圓軸向出水蝸殼的水力設(shè)計(jì)

蘆 月，屈 波，何中偉，栗文玲，劉佳佳

(1.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，南京 211100；2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 210098)

0 引 言

在大型機(jī)械通風(fēng)冷卻塔中，由于風(fēng)筒直徑、高度等尺寸限制，傳統(tǒng)冷卻塔專用超低比轉(zhuǎn)速混流式渦輪機(jī)的外形尺寸與結(jié)構(gòu)布置受到了極大的限制[1,2]。前人對(duì)此類(lèi)問(wèn)題也做了部分研究。鄭源教授在結(jié)構(gòu)方面提出了金屬梯形和單列環(huán)形導(dǎo)葉[3]；張麗敏[4,5]提出一種用于冷卻塔的超低比轉(zhuǎn)數(shù)混流式水輪機(jī)，并通過(guò)模型試驗(yàn)確定了新設(shè)計(jì)機(jī)組性能的穩(wěn)定，滿足冷卻塔要求;齊學(xué)義[6,7]對(duì)冷卻塔內(nèi)水輪機(jī)蝸殼進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)蝸殼中水流遵循速度矩為常數(shù)規(guī)律運(yùn)動(dòng)的非圓形斷面水力設(shè)計(jì)進(jìn)行分析；王旭[8]對(duì)水輪機(jī)橢圓蝸殼斷面不同比例進(jìn)行模型試驗(yàn)，得出較優(yōu)模型斷面；Lanjin Zhang[9]通過(guò)對(duì)冷卻塔混流式水輪機(jī)蝸殼斷面進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)縱橫比為1.2時(shí)冷卻效果最好；Klyukach A A等[10,11]人對(duì)已設(shè)計(jì)的橢圓蝸殼潮流能水輪機(jī)的空化性能進(jìn)行數(shù)值模擬，驗(yàn)證其空化性能；前人雖對(duì)冷卻塔中混流式水輪機(jī)蝸殼進(jìn)行了一定研究，但對(duì)全橢圓軸向出水蝸殼研究較少，為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有冷卻塔的節(jié)能改造，本文研發(fā)一種新型的、直驅(qū)于大型水冷塔風(fēng)機(jī)并且適合冷卻塔現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的超低比轉(zhuǎn)速渦輪機(jī)理論設(shè)計(jì)方法，并通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算和水力性能分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法的準(zhǔn)確性和可行性。

1 全橢圓斷面軸向出水蝸殼的設(shè)計(jì)及內(nèi)部水流的流動(dòng)研究

蝸殼是渦輪機(jī)兩個(gè)導(dǎo)流部件之一，其功能是將有壓水流引導(dǎo)進(jìn)入渦輪機(jī)轉(zhuǎn)輪[12]，在外部條件允許的范圍內(nèi)，蝸殼的設(shè)計(jì)，應(yīng)本著水流的能量損失盡可能小[13,14]，并且具有軸對(duì)稱性的均勻出流[15]。采用橢圓形軸向出水蝸殼的設(shè)計(jì)，是為了在流速系數(shù)相同的條件下[16,17]，能夠減小蝸殼控制機(jī)組徑向尺寸[18]，更適合空間有限的冷卻塔使用[19,20]。

1.1 渦輪機(jī)蝸殼的設(shè)計(jì)

與傳統(tǒng)渦輪機(jī)中蝸殼、座環(huán)和轉(zhuǎn)輪在同一平面安裝，蝸殼垂直主軸水平出水的方式不同，本文所設(shè)計(jì)的特型渦輪機(jī)其蝸殼、座環(huán)、渦輪室為不同平面上下疊加安裝的結(jié)構(gòu)，即蝸殼下端和座環(huán)上端連接，座環(huán)下端和渦輪室上端連接，水流從蝸殼下端的圓環(huán)形出口軸向流入座環(huán)，然后從座環(huán)的下端軸向流入渦輪室，如渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)圖(圖1)所示。

1-渦輪機(jī)主軸；2-蝸殼；3-座環(huán)；4-渦輪室；5-渦輪機(jī)渦輪；6-尾水管圖1 渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of turbine

為減少導(dǎo)水機(jī)構(gòu)中的能量損失及得到工作轉(zhuǎn)輪區(qū)域的均勻水流，從冷卻塔循環(huán)水管引水至導(dǎo)水機(jī)構(gòu)應(yīng)首先滿足軸對(duì)稱性，因此蝸殼應(yīng)滿足以下要求：①應(yīng)保證進(jìn)入轉(zhuǎn)輪的導(dǎo)水機(jī)構(gòu)圓周流量均勻分布；②引水至導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的葉片應(yīng)盡可能在額定工況下切向入水；③蝸殼的尺寸和形狀在滿足機(jī)組效率的前提下盡可能小。

因此，在穩(wěn)定狀態(tài)下，設(shè)計(jì)的蝸殼應(yīng)滿足：

(1)

為了更好地縮小機(jī)組徑向尺寸，設(shè)計(jì)的蝸殼采用下出水、變橢圓形截面的特型蝸殼，設(shè)定其短、長(zhǎng)半軸之比為：

(2)

通過(guò)上式計(jì)算可以確定蝸殼各斷面的形狀和尺寸，為了保證水流在蝸殼內(nèi)的平滑過(guò)渡，在確定每個(gè)橢圓截面中心的布置高度時(shí)，采用按橢圓中心點(diǎn)連線展開(kāi)為拋物線的形式，做出橢圓蝸殼標(biāo)稱流道斷面圖(如圖2)。在接近喉部的部分，由于斷面積漸小，為盡可能維持在相同半徑的過(guò)軸環(huán)面中的軸向分速度、圓周分速度矩相同，在加大了過(guò)流斷面積的同時(shí)，也加大了蝸殼中心軸線與水平面的夾角。

圖2 橢圓蝸殼標(biāo)稱流道斷面圖Fig.2 Cross section of nominal flow passage of elliptical volute

1.2 渦輪機(jī)蝸殼內(nèi)水流的流動(dòng)研究

圖3 蝸殼內(nèi)單位流體速度三角形分解圖Fig.3 Velocity triangle decomposition diagram of unit fluid in volute

渦輪機(jī)的導(dǎo)流部件包括蝸殼和導(dǎo)葉，是產(chǎn)生水流環(huán)量的關(guān)鍵部件，其水流特性近似為圓柱流，對(duì)于以渦輪機(jī)主軸為z軸的圓柱坐標(biāo)系的導(dǎo)水機(jī)構(gòu)內(nèi)的流動(dòng)微元，考慮到流體的均質(zhì)、不可壓縮、非黏性流體的假設(shè)，則有：

運(yùn)動(dòng)微分方程為：

(3)

連續(xù)性方程：

(4)

渦旋分量方程：

(5)

假設(shè)蝸殼內(nèi)水流為不可壓縮、非黏性的穩(wěn)態(tài)軸對(duì)稱有勢(shì)流，則蝸殼內(nèi)任意位置微元流體均滿足：Ej=E，設(shè)作用于流體微元的力在各坐標(biāo)的分量為：PQr、PQz，則式(3)、式(4)、式(5)得：

(6)

式中：PQ為由于流體微元圓周運(yùn)動(dòng)而附加的靜壓頭。在穩(wěn)態(tài)流動(dòng)、不可壓縮、非黏性的有勢(shì)流體微元，其總能量保持不變，僅僅是動(dòng)、靜態(tài)壓頭內(nèi)部的等值轉(zhuǎn)換，結(jié)合式(6)根據(jù)總能量守恒，可以得出蝸殼內(nèi)流速、壓力分布：

(7)

式(7)即為蝸殼中速度與壓力之間的能量關(guān)系式，由于本方程式不封閉，要根據(jù)具體的蝸殼形狀及流動(dòng)特點(diǎn)做一假設(shè)才能求解。

那么對(duì)于給定的導(dǎo)葉入口角度，就可以得出導(dǎo)葉入口的速度分布和靜壓分布。

對(duì)于導(dǎo)葉入口標(biāo)稱圓上，其徑向速度為零；導(dǎo)葉入口外邊圓上，其徑向速度，方向指向渦輪機(jī)中軸；導(dǎo)葉入口內(nèi)邊圓上，其徑向速度v0wr=-0.045 4 m/s，方向背離渦輪機(jī)中軸；所以導(dǎo)葉入口的設(shè)計(jì)為漸擴(kuò)喇叭口。根據(jù)入口軸向流速可知：導(dǎo)葉入口寬度為：b0=0.144 1 m。

2 CFD三維數(shù)值模擬計(jì)算及驗(yàn)證分析

通過(guò)CFD對(duì)渦輪機(jī)進(jìn)行全流道的三維建模、網(wǎng)格劃分和數(shù)值模擬計(jì)算，模擬水輪機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)，較精確的預(yù)測(cè)水輪機(jī)的整體性能，并通過(guò)分析特型蝸殼的壓力云圖、速度云圖和流線圖等，驗(yàn)證特型蝸殼是否與理論設(shè)計(jì)相吻合，并進(jìn)一步分析渦輪機(jī)的效率和蝸殼的水力損失，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的特型蝸殼是否具有合理性和可行性。

2.1 模型建立

按照模型與原型比為1∶1的尺寸數(shù)據(jù)，利用大型三維建模軟件UG對(duì)所設(shè)計(jì)的特型蝸殼進(jìn)行三維造型，蝸殼鼻端直接與進(jìn)口段相連，特型蝸殼三維圖如圖4所示。

圖4 特型蝸殼三維建模圖Fig.4 Special volute 3D modeling diagram

網(wǎng)格質(zhì)量的好壞直接影響計(jì)算的斂散性及結(jié)果的精度，考慮到水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，使用ANSYS ICEM CFD對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

2.2 數(shù)模驗(yàn)證結(jié)果及分析

假設(shè)水體為不可壓縮黏性流體湍流，并且沒(méi)有熱量交換，故控制方程可以采用雷諾時(shí)均N-S離散方程，湍流模型選用k-omega SST模型, 為了保證計(jì)算精度，離散控制方程對(duì)壓力項(xiàng)采用二階中心差分格式，對(duì)動(dòng)量方程式、湍動(dòng)能、湍耗散方程采用二階迎風(fēng)差分格式，應(yīng)用有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散，采用SIMPLIC算法實(shí)現(xiàn)壓力和速度的耦合求解[11]，設(shè)定收斂精度為0.000 001。根據(jù)設(shè)計(jì)水頭10.5 m，機(jī)組轉(zhuǎn)速為107 r/min，設(shè)定進(jìn)出口邊界條件為壓力進(jìn)口和壓力出口，進(jìn)行數(shù)值模擬。計(jì)算結(jié)果分析如下：

由渦輪機(jī)的整體流線圖(圖5)，可分析出渦輪機(jī)的整體流態(tài)較穩(wěn)定，蝸殼內(nèi)水流沿圓周方向?qū)ΨQ均勻分布，在蝸殼下端出口處，水流以一定的角度偏轉(zhuǎn)流入導(dǎo)葉，偏轉(zhuǎn)角度與固定導(dǎo)葉葉形的設(shè)計(jì)相吻合，最終鼻端處的水流與入口處的水流匯合；導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪部分的整體流線較平穩(wěn)，尾水管進(jìn)口速度分布符合設(shè)計(jì)原理，軸向出水較平滑，沒(méi)有出現(xiàn)渦旋和回流現(xiàn)象。設(shè)計(jì)工況下蝸殼流速矢量圖如圖6所示，在進(jìn)口轉(zhuǎn)彎的內(nèi)側(cè)區(qū)域流速較大，是由于蝸殼的鼻端直接與進(jìn)口段相連，鼻端水流與進(jìn)口水流匯合使流量突然增大而引起的，而從蝸殼外側(cè)到內(nèi)側(cè)，流速沿徑向?qū)ΨQ均勻增大，流態(tài)較好，無(wú)渦旋產(chǎn)生。

圖5 渦輪機(jī)整體流線圖Fig.5 The overall flow chart of turbine

圖6 蝸殼流速矢量圖Fig.6 Flow velocity vectorgraph of turbine

為了進(jìn)一步探究?jī)?nèi)部流場(chǎng)的分布情況，分別在包角0°、90°、180°和270°處做蝸殼縱向剖面圖，斷面處壓力分布云圖和速度分布云圖如圖7、圖8所示。圖7反映出蝸殼內(nèi)的壓力在靠近外壁面處最大，沿徑向均勻遞減，在靠近內(nèi)壁面處最小；蝸殼內(nèi)水流運(yùn)動(dòng)遵循伯努利方程，圖8中速度的分布與壓力的分布成反比，水流自外壁面到內(nèi)壁面速度沿徑向遞增，符合半徑大的地方速度小，半徑小的地方速度大的規(guī)律。此外，壓力和速度分布在圓周方向均具有較好的對(duì)稱性，流場(chǎng)分布符合理論設(shè)計(jì)的規(guī)律。

圖7 壓力分布云圖Fig.7 Pressure nephogram

圖8 速度分布云圖Fig.8 Velocity nephogram

圖9為蝸殼出口速度矩矢量圖，從圖9中可以看出蝸殼出口為圓環(huán)形，出口處速度為對(duì)稱均勻分布，內(nèi)側(cè)和外側(cè)的速度方向均指向圓環(huán)標(biāo)稱圓處。在設(shè)計(jì)工況下，蝸殼出口的平均軸向流速為1.759 8 m/s。為驗(yàn)證新型下出水蝸殼符合理論設(shè)計(jì)中進(jìn)入導(dǎo)葉珊的入口軸向分速度為常數(shù)的原則，在蝸殼出口截面上每隔15°包角取一條徑向分割線，并通過(guò)CFD-Post后處理軟件讀出每條分割線上的平均軸向分速度值，軸向速度值隨包角變化規(guī)律如圖10所示。為驗(yàn)證蝸殼內(nèi)不同包角的標(biāo)稱圓周方向水流速度為常數(shù)的設(shè)計(jì)理論，先讀出平均標(biāo)稱圓圓周速度值為2.777 1，再每間隔15°包角讀取速度值，標(biāo)稱圓圓周速度隨包角變化規(guī)律如圖10所示。

圖9 蝸殼出口速度矢量圖Fig.9 Velocity vectorgraph of volute exit

圖10 蝸殼出口軸向速度及圓周速度分布規(guī)律 Fig.10 Distribution of axial velocity and peripheral speed of volute exit

從圖10中可以看出軸向速度值的大小分布在1.7～1.8之間，不同包角處的軸向速度值近似相等；在0～20°包角處的軸向速度明顯偏離設(shè)計(jì)工況下的理論值，這是因?yàn)樵谖仛みM(jìn)口處，流量較大、流態(tài)不穩(wěn)定而造成軸向速度值升高；在340～360°包角處，速度值也有一定偏差，這是由于在蝸殼出口出，鼻端水流與進(jìn)水管段水流匯流而使流量忽然增大，造成速度值升高。因此，可以認(rèn)為蝸殼內(nèi)進(jìn)入導(dǎo)葉柵的入口軸向分速度為常數(shù)，與理論設(shè)計(jì)相符。對(duì)于標(biāo)稱圓圓周速度值的大小分布在2.7～2.9之間，與平均值近似相等，可以認(rèn)為蝸殼內(nèi)不同包角的標(biāo)稱圓周方向水流速度為常數(shù)，與理論設(shè)計(jì)相符。

為驗(yàn)證蝸殼內(nèi)進(jìn)入導(dǎo)葉珊的入口圓周分速度矩為常數(shù)的設(shè)計(jì)理論，先計(jì)算蝸殼出口處平均圓周速度矩的值為2.511 9，并在出口處的0°、180°和270°包角處隨機(jī)選取若干點(diǎn)讀取半徑和圓周分速度值，再計(jì)算出隨機(jī)點(diǎn)的圓周速度矩，由圖11可以分析出隨機(jī)點(diǎn)的圓周速度矩與計(jì)算所得的平均圓周速度矩的值基本相同，符合特型蝸殼的理論設(shè)計(jì)。

圖11 蝸殼出口隨機(jī)點(diǎn)圓周速度矩分布規(guī)律Fig.11 Distribution of random point peripheral speed moment of volute exit

表1反映了冷卻塔專用渦輪機(jī)在設(shè)計(jì)工況下數(shù)值模擬的各工作參數(shù)，從表中可以分析出，渦輪機(jī)的出力高于風(fēng)機(jī)的額定功率110，則能夠平穩(wěn)順利地驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，保持冷卻塔的正常工作狀態(tài)；渦輪機(jī)的整體88.25%的效率很可觀，說(shuō)明所設(shè)計(jì)的渦輪機(jī)整體性能良好；通過(guò)計(jì)算各個(gè)過(guò)流部件的水頭損失，可以分析過(guò)流部件的水力性能，由表1可知在轉(zhuǎn)輪處的水頭損失較大，說(shuō)明大部分水流的能量在轉(zhuǎn)輪處被轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，因此渦輪機(jī)的整體效率較高；所設(shè)計(jì)的特型下出水蝸殼的水頭損失只有1.05%，說(shuō)明特型蝸殼的水力性能較好。

表1 冷卻塔專用渦輪機(jī)數(shù)值模擬各工作參數(shù)Tab.1 The working parameter of numerical simulation of turbine in cooling tower

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)與傳統(tǒng)水輪機(jī)不同，本文所設(shè)計(jì)的特型蝸殼采用全橢圓截面軸向出水的方式，將導(dǎo)水機(jī)構(gòu)與蝸殼設(shè)置在不同平面，蝸殼、座環(huán)、渦輪為上下疊加的安裝方式。

(2)通過(guò)全流道數(shù)值模擬分析表明，蝸殼出口處圓周分速度矩和軸向分速度均為常數(shù)，符合傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論。采用此特型蝸殼的冷卻塔渦輪機(jī)效率可達(dá)到88.25%，蝸殼的水頭損失為1.05%，具有較好的水力性能和運(yùn)行穩(wěn)定性。

(3)本文所設(shè)計(jì)的直驅(qū)于大型水冷塔風(fēng)機(jī)的渦輪機(jī)其最大特點(diǎn)是顯著減小了渦輪機(jī)的徑向尺寸，便于安裝和檢修，并且能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)電動(dòng)風(fēng)機(jī)冷卻塔的節(jié)能改造，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和廣泛的應(yīng)用前景。

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