馮 珂，陳曉宇

（華北水利水電大學(xué)電力學(xué)院，河南 鄭州 450045）

工業(yè)冷卻塔水輪機(jī)作為一種新興技術(shù)，是采用水輪機(jī)代替電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)的動(dòng)力裝置，達(dá)到冷卻塔內(nèi)的循環(huán)水與外部空氣的冷熱交換的目的，它充分利用了循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的富余能量，具有節(jié)能高效的優(yōu)點(diǎn)[1-2]。在工作環(huán)境上，冷卻塔專用水輪機(jī)工作環(huán)境是有壓密閉，且其轉(zhuǎn)速要與風(fēng)機(jī)相匹配，受直連風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的限制，因而具有超低比轉(zhuǎn)速特性[3]。

目前國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)工業(yè)冷卻塔專用水輪機(jī)的研究主要集中在水輪機(jī)水力設(shè)計(jì)、性能優(yōu)化等方面[4-9]。蝸殼作為第一個(gè)過(guò)流部件，它的好壞直接影響到水輪機(jī)的性能，章志平[10]設(shè)計(jì)了一種新型的冷卻塔水輪機(jī)橢圓型蝸殼，減小了水輪機(jī)的橫向尺寸，且水力性能好，解決了圓斷面蝸殼占用空間的問(wèn)題。馮漢擴(kuò)[11]以超低比轉(zhuǎn)速軸流式水輪機(jī)為研究對(duì)象，提出將蝸殼內(nèi)圓后移的方法，水輪機(jī)的整體效率有了明顯提高。吳迎新[12]在超低比轉(zhuǎn)速斜流式水輪機(jī)原蝸殼斷面的基礎(chǔ)上，增加了四種改變蝸殼斷面面積的方案并對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬，研究發(fā)現(xiàn)水輪機(jī)的工作水頭有顯著提高，由原來(lái)的3.77m增加到6.6m，且滿足了轉(zhuǎn)輪進(jìn)口環(huán)量。以上研究表明，蝸殼對(duì)工業(yè)冷卻塔水輪機(jī)的性能影響較大，而關(guān)于蝸殼對(duì)超低比轉(zhuǎn)速水輪機(jī)影響的研究較少，有必要進(jìn)一步深入研究。

本文以用于工業(yè)冷卻塔的超低比轉(zhuǎn)速斜流式水輪機(jī)為研究對(duì)象，分別設(shè)計(jì)圓形、梯形、矩形三種斷面形狀的蝸殼，與其他過(guò)流部件相匹配，基于CFD對(duì)不同蝸殼斷面形狀的水輪機(jī)進(jìn)行全流道的數(shù)值模擬，分析數(shù)據(jù)結(jié)果，研究其水力性能和內(nèi)部流場(chǎng)的變化情況，選出適用于超低比轉(zhuǎn)速斜流式水輪機(jī)的最佳蝸殼斷面形狀，為今后的冷卻塔專用超低比轉(zhuǎn)速水輪機(jī)蝸殼的優(yōu)化提供參考，使其有更好的節(jié)能效果。

1 超低比轉(zhuǎn)速水輪機(jī)的主要參數(shù)

本文的研究對(duì)象為一臺(tái)用于工業(yè)冷卻塔的超低比轉(zhuǎn)速斜流式水輪機(jī)，其工作參數(shù)為：流量500m3/h，水頭7.5m，轉(zhuǎn)速240r/min，水輪機(jī)主要幾何參數(shù)為：轉(zhuǎn)輪進(jìn)口直徑D1=450mm，轉(zhuǎn)輪出口直徑D2=240mm，轉(zhuǎn)輪進(jìn)口寬度B2=40mm，轉(zhuǎn)輪葉片包角φ=5°，轉(zhuǎn)輪葉片轉(zhuǎn)軸線傾斜角為45°，轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)為22；蝸殼基圓直徑D3=506.56mm，蝸殼進(jìn)口直徑D4=254mm。

根據(jù)蝸殼的水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律，本文采用速度系數(shù)法設(shè)計(jì)了斷面形狀分別為圓形、梯形、矩形的三種蝸殼與其他過(guò)流部件組合，在設(shè)計(jì)時(shí)要遵循蝸殼基圓直徑D3、進(jìn)口直徑D4及各斷面面積相等的原則。三種蝸殼的斷面形狀如圖1所示。

圖1 三種蝸殼斷面示意圖

2 數(shù)值計(jì)算

數(shù)值模擬的區(qū)域?yàn)槌捅绒D(zhuǎn)速斜流式水輪機(jī)整個(gè)流道，包括蝸殼、斜向?qū)~、斜流式轉(zhuǎn)輪以及直筒式尾水管四個(gè)過(guò)流部件，首先根據(jù)各部件的幾何參數(shù)，利用Creo Parametric 6.0軟件建立三維模型并進(jìn)行裝配，如圖2所示。然后對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，這里采用適應(yīng)性較好的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，如圖3所示。

圖2 水輪機(jī)各過(guò)流部件三維模型

圖3 計(jì)算域網(wǎng)格圖

為了保證數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)蝸殼斷面為圓形的水輪機(jī)模型進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。本文以效率作為網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證的指標(biāo)，采用七種不同數(shù)量的網(wǎng)格對(duì)圓形斷面的水輪機(jī)模型進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果如圖4所示，隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，該水輪機(jī)的效率先升高后趨于穩(wěn)定，綜合考慮計(jì)算精度和時(shí)間，本文選取的網(wǎng)格規(guī)模為320萬(wàn)，此時(shí)水輪機(jī)的效率偏差保證在0.3%以內(nèi)。

圖4 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

采用Fluent 16.0軟件對(duì)三種蝸殼斷面形狀的水輪機(jī)模型進(jìn)行定常計(jì)算，蝸殼進(jìn)口邊界條件設(shè)為速度進(jìn)口，尾水管出口邊界條件設(shè)為零壓力出口，各個(gè)部件交界面設(shè)置為Interface，采用基于壓力的求解器，計(jì)算收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)為10-4，采用k-ω湍流模型。

3 結(jié)果分析

3.1 外特性分析

3.1.1 性能曲線

分別在0.6Qr—1.3Qr共八個(gè)流量工況下對(duì)三種蝸殼斷面形狀的水輪機(jī)模型進(jìn)行定常計(jì)算，得到三種方案的外特性曲線，如圖5所示。

圖5 不同蝸殼斷面形狀的水輪機(jī)外特性曲線

從水頭-流量曲線可以看出，三種蝸殼斷面形狀的水頭變化趨勢(shì)基本相同，隨著流量的增加，三種蝸殼斷面的超低比轉(zhuǎn)速斜流式水輪機(jī)的水頭逐漸增大，具有圓形斷面蝸殼的水輪機(jī)水頭高于梯形和矩形。從效率-流量曲線可以看出，在小流量工況和設(shè)計(jì)工況時(shí)，圓形斷面蝸殼的水輪機(jī)效率明顯最高，且高效區(qū)寬廣，其次是矩形斷面，梯形斷面幾乎和矩形斷面效率相等，隨著流量的增加，三種蝸殼斷面的效率逐漸接近，在1.3Qr大流量工況時(shí)矩形斷面的效率略微高于圓形斷面0.12%。三種斷面形狀的效率均在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)達(dá)到最優(yōu)，此時(shí)圓形斷面蝸殼的水輪機(jī)效率為83.90%，分別比矩形和梯形斷面蝸殼的水輪機(jī)效率高出0.48%和0.71%。

3.1.2 水力損失

圖6 a和6b分別為三種蝸殼斷面形狀的水輪機(jī)在不同工況下蝸殼和轉(zhuǎn)輪內(nèi)的水力損失情況。由Fluent軟件結(jié)果可以得到各過(guò)流部件的進(jìn)口和出口壓力，從而計(jì)算水力損失h，計(jì)算公式為：

式中，Pin和Pout分別為過(guò)流部件進(jìn)口和出口壓力，Pa；ρ為水的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2。

從6a可以看出，不同流量工況下，圓形斷面蝸殼的水力損失均明顯小于其他兩種蝸殼斷面形狀，以設(shè)計(jì)工況為例，圓形蝸殼的水力損失為0.032m，分別比梯形和矩形斷面低0.008m和0.006m，因此圓形斷面蝸殼的水力性能好。從6b可以看出，隨著流量的增加，不同蝸殼斷面形狀的水輪機(jī)中轉(zhuǎn)輪的水力損失均先減小后增大，剛開始圓形斷面的水力損失最小，后逐漸略高于其他兩種斷面，這是因?yàn)樗鞯牧鲃?dòng)前后都是相互影響的，圓形斷面在出口處的收縮率較大，對(duì)流體進(jìn)入導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪的方向有一定的影響，導(dǎo)致在轉(zhuǎn)輪進(jìn)口處有一定的沖擊損失，流量越大，這部分的沖擊損失越大。矩形斷面的轉(zhuǎn)輪水力損失始終小于梯形斷面。

為了更直觀的分析斷面形狀對(duì)各過(guò)流部件總損失的影響情況，圖6c為總損失占該工況水頭的比例，可以看出圓形斷面蝸殼的水輪機(jī)總損失占水頭的比例最小，梯形斷面和矩形斷面的幾乎差別不大，且三種蝸殼斷面形狀的過(guò)流部件總損失占比均在設(shè)計(jì)工況時(shí)取得最小值，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同工況下三種蝸殼斷面形狀的水力損失

圖6 不同蝸殼斷面形狀的水輪機(jī)過(guò)流部件水力損失圖

3.2 內(nèi)特性分析

3.2.1 速度流線分布

圖7 和圖8分別為最優(yōu)工況下三種蝸殼斷面形狀的水輪機(jī)蝸殼和轉(zhuǎn)輪內(nèi)部速度流線分布情況。從圖7可以看出，三種斷面形狀的蝸殼在外壁處沿水流方向都有明顯的斷流流線，隨著蝸殼斷面面積的減小，水流速度增大，水流與壁面撞擊增強(qiáng)，導(dǎo)致蝸殼水力損失增大。在靠近蝸殼隔舌處梯形斷面局部水流流速最大（即圖7中的位置A），這會(huì)導(dǎo)致給轉(zhuǎn)輪提供的環(huán)量不均勻，其次是矩形斷面，圓形斷面速度最小，因此圓形斷面的蝸殼水力損失會(huì)小一些。從整體來(lái)看，相對(duì)于其他兩個(gè)斷面形狀蝸殼，圓形斷面蝸殼的流線分布更加均勻，流態(tài)更好。

圖7 蝸殼速度流線分布圖

圖8 轉(zhuǎn)輪速度流線分布圖

從圖8可以看出，蝸殼斷面形狀不同的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流線分布基本相同，轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口水流速度小，出口水流速度大，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)輪葉片彎曲，葉片出口處流道變窄，水流受葉片擠壓作用增強(qiáng)，因此水流速度增大。轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流線分布與葉片形狀基本一致，在葉片進(jìn)口處和葉片工作面彎曲處出現(xiàn)不同程度的斷流現(xiàn)象。

3.2.2 湍流動(dòng)能分布

為了更清楚地分析流體在蝸殼內(nèi)的水力損失原因，圖9為三種不同斷面形狀的蝸殼分別在270°和90°包角處截面的湍流動(dòng)能云圖。從圖中可以明顯看出，不同斷面形狀的蝸殼沿半徑方向，湍流動(dòng)能呈層狀均勻增大，特別是靠近蝸殼出口壁面的位置，湍流動(dòng)能變化范圍更大。湍流動(dòng)能變化的范圍和大小在梯形斷面最大，矩形斷面次之，圓形斷面最小，這在右側(cè)包角90°的截面上尤其明顯，主要是梯形和矩形斷面蝸殼相鄰兩邊夾角的原因，在夾角處的湍流動(dòng)能大，導(dǎo)致蝸殼的局部損失變大，而對(duì)圓形斷面蝸殼來(lái)說(shuō)，相應(yīng)位置的局部損失要小得多。

圖9 蝸殼橫截面的湍流動(dòng)能云圖

4 結(jié)論

（1）在設(shè)計(jì)工況下不同斷面形狀的水輪機(jī)中，圓形斷面的效率最高，分別比矩形和梯形斷面高出0.48%和0.71%；圓形斷面的蝸殼水力損失最低，水力性能好，與之對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)輪的水力損失卻略高于矩形和梯形斷面，但總損失占水頭的比例最小。

（2）不同蝸殼斷面形狀的水輪機(jī)，在蝸殼內(nèi)靠近隔舌處出現(xiàn)局部高速區(qū)，梯形斷面速度最大，圓形斷面速度最小，流態(tài)較好，在轉(zhuǎn)輪中葉片進(jìn)口和彎曲處均出現(xiàn)不同程度的斷流現(xiàn)象。蝸殼的湍流動(dòng)能沿半徑方向呈層狀均勻增大，圓形斷面蝸殼的湍流動(dòng)能變化范圍最小。

（3）對(duì)于本文所選的冷卻塔超低比轉(zhuǎn)速水輪機(jī)，推薦其蝸殼斷面形狀為圓形，此時(shí)效率最高，內(nèi)部流態(tài)最好。