陳曉宇 吳迎新 馮 珂

(1.華北水利水電大學，河南 鄭州 450045；2.安徽金寨抽水蓄能有限公司，安徽 金寨 237300)

作為一種應用于冷卻塔節(jié)能降耗的新興技術[1]，冷卻塔專用水輪機逐漸興起。其中吳迎新[2]以廣泛使用的超低比轉速混流式水輪機為模板，基于等價理念，設計出了超低比轉速斜流式水輪機，它既滿足了與風機轉速相匹配的轉速要求，也滿足了專用水輪機超低比轉速的工作特點[3]。與超低比轉速混流式水輪機相比，既可解決其平面尺寸過大而影響冷卻塔通風效果的問題，也可以解決其轉輪焊接困難等問題。

水輪機轉輪是水輪發(fā)電機組的心臟，負責水能和機械能的轉換，且需要滿足高效率、穩(wěn)定性和可靠性的要求。其中轉輪葉片的數目對超低比轉速斜流式水輪機的水力性能和強度都有顯著的影響。在葉片的長度、厚度不變的情況下，增加轉輪葉片數會增加轉輪的強度和硬度。但是葉片數過多會減小過水斷面面積，致使轉輪的單位流量減少；而當葉片數較少時，葉片在水流中不能充分做功，因此水力效率會相對較低[4]。鄢碧鵬等[5]通過改變軸流泵的葉片數，發(fā)現(xiàn)葉片數的變化對軸流泵的效率影響不大，但對汽蝕性能有明顯影響，適當增加葉片數可以降低葉輪比轉速，提高揚程，改善軸流泵汽蝕性能。王異凡[6]以青海鐵吾水電站水輪機HL220-WJ-71為研究對象，通過減少葉片數分別對葉片表面壓力、速度分布、速度矢量變化規(guī)律以及蝸殼、導水機構、尾水管等的水力性能、空化性能等進行了研究。王晨陽[7]在轉輪葉片數對水輪機水力性能的影響研究上，發(fā)現(xiàn)轉輪葉片數的改變對水輪機水力效率和轉輪內部流態(tài)影響較大，選擇合適的轉輪葉片數有助于提高水輪機水力效率，改善水流在水輪機轉輪的內部流態(tài)，增強水輪機的水力性能。杜洋[8]在試驗的基礎上對葉片數單因素對水輪機性能的影響進行研究，發(fā)現(xiàn)不同葉片數下，流道內漩渦和紊亂區(qū)域大小差別不大，這是葉片數變化引起效率變化較小的原因之一。吳迎新在原模型的基礎上對轉輪葉片數進行適當的增加和減少，設計出七種方案，在設計工況下簡單地列表對比分析了其水輪機外特性，最終確定最佳葉片數為22。為進一步分析在變流量工況下改變葉片數對超低比轉速斜流式水輪機水力性能的影響，本文以吳迎新設計出的超低比轉速斜流式水輪機作為研究對象，采用數值計算的方法分析不同葉片數下水輪機的內、外特性。

1 水輪機的幾何參數

本文選用超低比轉速斜流式水輪機作為模型(見圖1、表1)。

圖1 超低比轉速斜流式水輪機模型示意圖

表1 超低比轉速斜流式水輪機主要幾何參數

2 數值計算

采用Creo軟件對蝸殼、導葉、轉輪、尾水管各部件進行建模(見圖2)，利用ICEM軟件采用非結構化網格中八叉樹[9]的方法對各方案進行網格劃分(見圖3)。

圖2 計算模型

圖3 網格劃分

為保證計算精度，對該模型進行網格無關性的研究。對超低比轉速斜流式水輪機轉輪葉片數為20的工況劃分計算網格，在40萬～140萬網格數區(qū)間內選取十組不同網格規(guī)模的水輪機全流道模型分別進行數值計算。以效率作為無關性驗證的指標，將計算結果進行對比分析。如圖4所示，當網格數量達到106以上時，水輪機效率相對誤差約為0.05%，效率的計算趨于穩(wěn)定。因此，本文選用的網格規(guī)模為106。

圖4 網格無關性的驗證

采用Fluent16.0軟件對各模型進行數值模擬。由于水輪機內部流動旋轉強，三維隨機脈動強，具有逆壓梯度高、流線曲率高等特點，湍流模型采用標準k-ω模型[10]。蝸殼進口邊界設為速度進口條件，尾水管出口邊界設為壓力出口條件，在超低比轉速斜流式水輪機模型中，蝸殼與固定導葉之間交界面為靜靜交界面，固定導葉與轉輪之間的交界面為動靜交界面，轉輪與尾水管之間的交界面為動靜交界面，所有耦合面均設置為interface邊界條件，以標準的壁面函數定義靠近壁面區(qū)域的流動。

3 結果分析

3.1 外特性分析

通過CFD數值計算后，得到不同葉片數下的模型在0.6Q0～1.2Q0的流量工況下的水力效率、水頭和轉輪損失曲線(見圖5)。

圖5 不同葉片數時的超低比轉速斜流式水輪機的外特性曲線

從圖5(a)中可看出，葉片數不同時，隨著流量的變化，水輪機的效率曲線呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，且最高效率點均出現(xiàn)在0.8Q0(即400m3/h)處(具體數據見表2)。不同葉片數時，流量從最高效率點向小流量變化時效率下降的速度要比從最高效率點向大流量變化時的快。與葉片數相關的是，在小流量工況下，葉片數從14片增加到18片時，效率增大，與葉片數呈正相關；葉片數從20片增加到22片以及從24片增加到26片時，效率下降，與葉片數呈負相關。這主要是因為當葉片數從14片增加到18片時，葉片數的增加使得葉片與流體的接觸面增多，增強了水輪機轉輪的做功能力，同時由于葉片數的增多，流體動力負荷系數減小，流道內的二次流減弱[11]，使得二次流產生的水力損失減少，即轉輪的水力損失減少，這一點從圖5(c)中可看出。當葉片數從20片增加到22片以及從24片增加到26片時，葉片數的增多使得葉片表面與流體接觸的面積增加，導致流體與葉片產生的摩擦損失增大，遠大于二次流產生的轉輪水力損失，因此，總水力損失增大，水輪機水力效率降低。

表2 不同葉片數時超低比轉速斜流式水輪機最優(yōu)工況下的性能參數

從圖5(b)和圖5(c)中可以看出，葉片數不同時，水輪機的流量比—水頭曲線與流量比—轉輪損失曲線均呈現(xiàn)出隨流量的增大而逐漸上升的趨勢。由于水輪機中轉輪是核心部件，其水力損失占據最大[12]，從圖5(c)中可以看出，葉片數從14片增加到18片時，轉輪損失的變化要比葉片數從18片增加到26片時要大，尤其是葉片數為14片時，在大流量工況下，轉輪損失上升的梯度要遠大于其它葉片數下的上升梯度。這說明，當葉片數較少時，轉輪流道過寬，流體在轉輪中由于慣性作用勢必會導致其在轉輪中的流動紊亂，從而會造成局部的脫流現(xiàn)象或漩渦區(qū)域，使得轉輪的水力損失增大，水輪機的水力效率下降。

3.2 內流場分析

基于以上對外特性的分析，為進一步對比葉片數的變化對超低比轉速斜流式水輪機水力性能影響的差異，現(xiàn)對葉片數為18、22、26的超低比轉速斜流式水輪機分別在最優(yōu)工況(400m3/h)、設計工況(500m3/h)以及大流量工況(600m3/h)下對比分析其導葉與轉輪的流線分布。

由圖6可知，當流量增大時，無論是18葉片、22葉片、26葉片均出現(xiàn)了導葉出口處水流速度升高的現(xiàn)象，且在轉輪葉片進口處有少量的斷流現(xiàn)象。隨著水輪機進口流量的增大，在導葉出口處水流與壁面撞擊增強，造成局部流速升高，水力損失增大。在3個工況下，不同葉片數的超低比轉速斜流式水輪機流道內的漩渦與紊亂區(qū)域大小差別不大，流線分布規(guī)律基本相同且與葉片的彎曲形狀趨于一致。當葉片數較少時，轉輪進口處的水流脫流現(xiàn)象較為明顯，隨著葉片數的增加，水輪機轉輪內部的流線分布逐漸改善，但是由于葉片數的增多會減小過水斷面面積，增強了水流之間的撞擊，使得水力損失增加。因此，對于具體參數組合的超低比轉速斜流式水輪機，存在最優(yōu)的葉片數使得水輪機整體的水力性能最優(yōu)。

圖6 流線分布

4 結 論

不同流量工況下，不同葉片數的超低比轉速斜流式水輪機的效率曲線呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，且最高效率點出現(xiàn)在400m3/h流量處。在同一流量工況下，不同葉片數模型所對應的水頭相差很小；隨著進口流量的增大，不同葉片數模型對應的轉輪損失逐漸增大。

在對超低比轉速斜流式水輪機內部流線分布的分析中發(fā)現(xiàn)，葉片數較少時，轉輪內部流線部分紊亂，且存在少量脫流現(xiàn)象；隨著葉片數的增加，轉輪內部的流線分布逐漸改善，且與葉片彎曲形狀趨于一致。