水輪機模式液力透平新型空間導葉的設計和性能分析

蔣雨煊，雷華宇

（1.華北水利水電大學，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用于礦業、電力和工業領域。現階段，大多數液力透平裝置均將反轉泵或泵式作為流道[1]。但是近年來有學者提出，除了泵式流道，使用一種新型的超低比轉速水輪機作為液力透平流道，能有效解決泵式流道在效率低、高效區窄方面的問題。研究表明，水輪機模式的液力透平裝置擁有較好的流態，性能穩定[2-4]。

在對水輪機模式液力透平的研究中發現，級間導葉的損失占整個損失的30%～40%，級間導葉的性能好壞直接影響整個流道的性能，其重要性不容忽視。為提高液力透平裝置的效率和性能，文章設計了一種新型空間導葉，該導葉結構上徑向短、軸向長，正反導葉連為一體，正反導葉直接連接，將過渡端劃分為獨立流道，葉片在三維空間上是扭曲的，同時設有導流殼。基于k-e 湍流模型，采用非結構網格結構，運用CFD 技術對液力透平流道內部流場進行分析，并基于此對整個流道的流態進行分析。

1 實例運用

1.1 基本參數

為深入研究新型空間導葉，文章選取一種超低比轉速混流式水輪機液力透平流道進行分析，其中轉輪的基本參數Q=0.87m3/s，比轉速為50m·KW，轉速為1 500r/s，轉輪進口直徑D1=500mm，轉輪出口直徑D2=250mm，轉輪進口角β1=122°。根據轉輪的基本數據，計算新型空間導葉的基本數據如下：導葉進口直徑D3=250mm，導葉出口直徑D4=502mm，進口寬度和出口寬度b3=b4=50mm，中間隔板寬度b7=50mm，b5=75mm，葉片數為10。

1.2 實體建模

根據基本參數，畫出所需型號的新型空間導葉的平面設計圖，在平面設計圖上確定三維空間中圓柱坐標的R、θ、Z值。在Creo 軟件上輸入圓柱坐標，生成空間點，再由點生線、線生面，將所生成的面加厚，根據陣列所需導葉葉片個數，建出新型空間導葉的實體模型，如圖1 所示。

考慮到之后導入CFD 進行數值分析需要實際水體的模型，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完整的兩級液力透平流道，具體如圖2 所示，為進一步CFD 數值模擬分析做準備。

圖1 新型空間導葉實體圖

圖2 液力透平模型

1.3 CFD 數值計算

基于ICEM 對液力透平流道的各個部件進行網格劃分，采用非結構網格，通過網格無關性分析，最終確定整個流道的網格數為551 503。

以標準k-e 湍流模型得到的穩態流場作為初流場。進口的邊界條件設為速度進口，出口的邊界調節設為無壓出流，根據固壁處邊界條件設為無滑移邊界調節，耦合面采用“interface”，最終得到的模擬計算值如表1 所示。

表1 新型空間導葉水力性能結果

2 新型空間導葉的性能分析

2.1 新型空間導葉流態及流動損失

CFD 數值模擬結果顯示，在整個流道中轉輪和級間導葉的損失最大，直接影響整個液力透平的性能和效率。CFD-post 中導出二級轉輪和新型空間導葉的速度矢量圖，如圖3、圖4 所示。由此可見，新型空間導葉進水面導葉間出現了空白區，無液體流進，因為進水面導葉彎曲角θ過小，使液體在進入導葉后速度環量驟變，從而產生空白區；過渡區流線與外圓切線方向近似平行，表明單獨的流道使過渡區內的各流線互不干擾，液體均勻過渡，進入下一級轉輪。

圖3 新型空間導葉內部流態

圖4 二級轉輪內部流態

轉輪進口處出現小區域的空白，空白區的出現使液體局部偏流，是因為級間導葉出口角與所接轉輪進口角不匹配。除首級轉輪不受級間導葉影響外，其余級轉輪的入流條件直接受級間導葉的影響。設計的級間導葉出口角過小，液體沒有一個與轉輪能夠平行的速度環量進入轉輪，導致間隙損失增大，所接轉輪出現偏流。級間導葉與所接轉輪的匹配程度對整體效率有重要影響。

2.2 新型空間導葉的不同工況性能

水輪機模式液力透與泵式流道相比，性能穩定，高效區更廣，為探究采用新型空間導葉的水輪機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，通過計算分析，得到的結果如表2 所示。

表2 不同工況下的水力性能

結果表明，在四種不同流量工況下，整體的效率波動不大，相對平穩，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 結論

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

2）轉輪和級間導葉的損失占整個流道損失的60%～70%，是影響整個流道性能的重要因素。除首級轉輪外，其余級轉輪的入流條件直接受級間導葉影響，為轉輪設計相匹配的級間導葉對整個液力透平裝置有至關重要的影響。