楊孫圣,張慧,孔繁余,劉瑩瑩
?
2種形式的液力透平葉輪外特性
楊孫圣1,張慧2,孔繁余1,劉瑩瑩1
(1. 江蘇大學(xué)流體機(jī)械研究中心,江蘇鎮(zhèn)江,212013;2. 鎮(zhèn)江市自來水公司,江蘇鎮(zhèn)江,212013)
為了提高液力透平的效率,設(shè)計(jì)前彎和后彎2種形式的葉輪,通過理論分析、數(shù)值計(jì)算以及實(shí)驗(yàn)研究的方法對(duì)其進(jìn)行分析。應(yīng)用流場(chǎng)分析軟件ANSYS CFX分別對(duì)具有2種形式葉輪的液力透平進(jìn)行全流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算與分析,得到2種液力透平外特性曲線的差別,并分析2種液力透平葉輪內(nèi)部流場(chǎng)流動(dòng)規(guī)律。研究結(jié)果表明:前彎形葉輪在最高效率點(diǎn)的流量、揚(yáng)程、軸功率和效率分別比后彎形葉輪高24.45%,29.80%,68.95%和4.38%;前彎形葉輪高效點(diǎn)以及高效點(diǎn)之后的流量效率(?)曲線高于后彎形葉輪的流量效率曲線,流量揚(yáng)程(?)曲線低于后彎形葉輪的流量揚(yáng)程曲線,2種形式的葉輪軸功率相差不大;前彎形葉片葉輪內(nèi)部速度梯度小于后彎形葉片葉輪的內(nèi)部速度梯度,前彎形葉片葉輪內(nèi)部水力損失較少;實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值預(yù)測(cè)結(jié)果相吻合,驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算可以用來對(duì)液力透平進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
液力透平;前彎形葉輪;后彎形葉輪
泵是可逆式機(jī)械,離心泵能反轉(zhuǎn)用作液力透平。液力透平能量回收裝置是將高壓液體具有的壓力能轉(zhuǎn)化為透平轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能,并用于發(fā)電或者驅(qū)動(dòng)耗能機(jī)械做功,實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓液體能量的開發(fā)利用。液力透平以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、造價(jià)低、維修方便、運(yùn)行可靠等特點(diǎn),目前在小型水利水電資源的開發(fā)利用,化工處理過程中余壓液體能量的回收等節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用[1?2]。目前對(duì)液力透平的研究,主要集中在對(duì)泵正反轉(zhuǎn)工況的研究。AMELIO等[3]對(duì)獲得離心泵做透平效率的一維數(shù)值編譯法進(jìn)行了研究; DERAKHSHAM等[4]利用實(shí)驗(yàn)法對(duì)不同比轉(zhuǎn)速的泵作透平的特性曲線進(jìn)行研究,并尋找出泵作透平最高效率點(diǎn)的性能關(guān)聯(lián)式;WILLIAMS[5]對(duì)35臺(tái)不同型號(hào)的泵作透平進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,推薦一種用于預(yù)測(cè)泵作透平時(shí)透平工況性能的方法;SINGH等[6?8]對(duì)離心泵作透平工況選型和性能預(yù)測(cè)的優(yōu)化法進(jìn)行研究,并提出了試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái);CHAPALLAZ等[9]對(duì)泵正反轉(zhuǎn)工況進(jìn)行了多方面研究,并對(duì)選擇合適的透平工況進(jìn)行了分析。當(dāng)液力透平運(yùn)行時(shí),透平的流動(dòng)方向與泵的流動(dòng)方向相反,內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律完全不同,因此,需要新的設(shè)計(jì)方法使液力透平能夠高效運(yùn)行。楊孫圣等[10?12]主要集中在分流葉片以及葉片包角對(duì)泵反轉(zhuǎn)式透平性能影響的研究。DERAKHSHAM等[13?15]對(duì)如何提高離心泵反轉(zhuǎn)作透平的效率進(jìn)行研究,主要采用理論分析、優(yōu)化數(shù)值計(jì)算以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法。但所研究的葉輪葉片彎曲形狀均是后彎形葉片,這種形式的葉輪在泵和透平工況下都能夠穩(wěn)定運(yùn)行,前彎形葉片葉輪在泵工況下的效率較低[16],但對(duì)其在透平工況下運(yùn)行情況的研究則鮮有報(bào)道。為此,本文作者分別設(shè)計(jì)2種彎曲形式的葉輪,采用數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)2種液力透平葉輪內(nèi)部流場(chǎng)流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析,將數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證方法相結(jié)合對(duì)2種液力透平外特性以及最高效率點(diǎn)的性能參數(shù)進(jìn)行對(duì)比,以此來探究葉片彎曲形狀對(duì)液力透平性能的影響。
液力透平的理論揚(yáng)程為
式中:為圓周速度;v為絕對(duì)速度的圓周分量;高壓液體用角標(biāo)2表示,低壓液體用角標(biāo)1表示。
假設(shè)透平出口為無預(yù)旋出口,即v1=0。葉輪進(jìn)口速度三角形見圖1。由進(jìn)口速度三角形得:
則
(3)
式中:2為液力透平葉輪進(jìn)口安放角;v2為葉輪進(jìn)口軸面速度;t為理論流量;2為葉輪進(jìn)口面積,2考慮葉片進(jìn)口邊厚度的排擠系數(shù)。
圖1 葉輪進(jìn)口速度三角形
根據(jù)式(3)分析,透平進(jìn)口安放角2增加時(shí),透平的理論揚(yáng)程將增加。由于
所以,當(dāng)透平揚(yáng)程增加時(shí),透平的流量也將相應(yīng)的增加。常規(guī)泵設(shè)計(jì)時(shí),葉片安放角2通常取18°~40°[16],因此,提出一種新型前彎形液力透平葉輪,這種形式的葉輪葉片安放角2取值較大,取值范圍也較寬。
為了研究2種形式葉輪外特性的差異,選用一單級(jí)單吸蝸殼式液力透平為研究對(duì)象,分別設(shè)計(jì)2種形式的葉輪,并進(jìn)行數(shù)值與實(shí)驗(yàn)研究。液力透平的設(shè)計(jì)參數(shù)為流量=80 m3/h,揚(yáng)程=30 m,轉(zhuǎn)速=1 500 r/min,葉輪旋轉(zhuǎn)方向順時(shí)針。表1所示為液力透平的主要幾何參數(shù)。
表1 液力透平的主要幾何參數(shù)
注:括號(hào)外的數(shù)值對(duì)應(yīng)后彎,括號(hào)內(nèi)的數(shù)值對(duì)應(yīng)前彎。
3.1 三維造型
在離心泵數(shù)值計(jì)算過程中,通常不考慮前后腔內(nèi)部的流體,此時(shí),數(shù)值計(jì)算結(jié)果不包括容積損失和圓盤摩擦損失,然后通過經(jīng)驗(yàn)公式估算出容積效率和機(jī)械效率,再對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正,這樣得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差不大[17]。當(dāng)液力透平運(yùn)行時(shí),泵葉輪出口成為透平葉輪進(jìn)口,這時(shí)數(shù)值計(jì)算若不考慮前后腔內(nèi)部的流體,則計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差較大[18],因此,本文對(duì)該模型進(jìn)行了全流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算。圖2所示為液力透平內(nèi)部流場(chǎng)三維造型。
圖2 液力透平內(nèi)部流場(chǎng)三維造型
3.2 網(wǎng)格生成
由于葉輪口環(huán)存在較小的間隙,非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格很難對(duì)細(xì)小間隙進(jìn)行較好的處理,因此,本文采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)[19],對(duì)過流部件進(jìn)行六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分,邊界層網(wǎng)格+≥40。圖3所示為葉輪流道和全流場(chǎng)網(wǎng)格裝配。
(a) 后彎式葉輪;(b) 前彎式葉輪;(c) 網(wǎng)格裝配
對(duì)該模型的網(wǎng)格無關(guān)性進(jìn)行了研究,當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量在95萬以上時(shí),效率的變動(dòng)范圍小于0.5%,因此,網(wǎng)格數(shù)量應(yīng)當(dāng)在100萬以上時(shí)較合適。本文用于數(shù)值計(jì)算具有后彎形葉輪液力透平的蝸殼、葉輪、前腔、后腔、出水管網(wǎng)格數(shù)量分別為479 710,378 222,134 956,129 700和174 720,網(wǎng)格總數(shù)1 297 308。前彎形葉輪網(wǎng)格數(shù)量與該數(shù)量相當(dāng)。
3.3 參數(shù)設(shè)置
ANSYS-CFX軟件采用基于有限元的有限體積法和全隱式算法進(jìn)行求解,具有收斂速度快、收斂精度高的優(yōu)點(diǎn)。本文采用ANSYS-CFX流場(chǎng)分析軟件對(duì)液力透平內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行求解分析。
進(jìn)口條件設(shè)為靜壓進(jìn)口,出口設(shè)為質(zhì)量出口[20],通過調(diào)節(jié)出口的質(zhì)量流量得到液力透平的外特性曲線。計(jì)算收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)為10?6,壁面粗糙度設(shè)為50 μm,輸送介質(zhì)選用25 ℃的水,通過?,RNG?和?3種湍流模型對(duì)液力透平外特性影響的分析,選用?湍流模型,分析類型為穩(wěn)態(tài),過流部件動(dòng)靜結(jié)合部位用rotor-stator interface 連接,靜止過流部件之間用general grid interface連接。
3.4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果比較
圖4所示為2種形式葉輪的液力透平情況外特性曲線,表2所示為2種形式葉輪的最高效率比較。
1—后彎η;2—前彎η;3—后彎Pshaft;4—前彎Pshaft;5—后彎H;6—前彎H。
表2 2種形式葉輪最高效率比較
從圖4和表2可以看出:對(duì)于相同葉輪外徑的2種形式葉輪,具有前彎形葉輪的透平高效點(diǎn)向大流量偏移,高效點(diǎn)以及高效點(diǎn)之后的流量效率曲線高于后彎式葉輪的流量效率曲線,流量揚(yáng)程曲線低于后彎形葉輪的流量揚(yáng)程曲線;對(duì)于2種形式葉輪,當(dāng)流量相同時(shí)軸功率相差不大。
3.5 葉輪內(nèi)部流場(chǎng)分布
圖5所示為葉輪直徑為235 mm時(shí),具有2種形式葉輪在同一流量時(shí)液力透平中間平面=0上葉輪內(nèi)部靜壓力的分布。從圖5可以看出:2種形式的液力透平葉輪內(nèi)部壓力最低點(diǎn)均出現(xiàn)在葉片出口背面處;葉輪內(nèi)部靜壓力從葉片的進(jìn)口沿葉輪流道到葉片出口逐漸減?。?種形式液力透平葉輪內(nèi)部各流道壓力分布不完全一樣。
(a) 后彎形;(b) 前彎形
圖6所示為葉輪直徑為235 mm時(shí),具有2種形式葉輪在同一流量時(shí)液力透平葉輪內(nèi)部速度矢量的分布。從圖6可以看出,后彎形葉片葉輪漩渦區(qū)域主要分布在葉片吸力面進(jìn)口位置處,與后彎形葉片葉輪不同,前彎形葉片葉輪漩渦區(qū)域主要分布在葉片壓力面進(jìn)口位置處。同時(shí),從圖6中2種形式葉輪內(nèi)部速度分布可以看出前彎形葉片葉輪內(nèi)部的速度梯度比后彎形葉片葉輪小。
圖7所示為2種形式液力透平各部分水力損失比較。由圖7可知:葉輪內(nèi)部的水力損失是液力透平內(nèi)部主要的水力損失,高效點(diǎn)之后,葉片前彎式葉輪和尾水管內(nèi)部的水力損失下降,蝸殼內(nèi)部的水力損失增加,其中葉輪內(nèi)部的水力損失下降較為明顯。由于2種形式的葉輪主要幾何參數(shù),只有葉片型線不同,因此,葉片前彎形葉輪內(nèi)部的水力損失較小。
(a) 后彎形;(b) 前彎形
1—后彎蝸殼;2—前彎蝸殼;3—后彎葉輪;4—前彎葉輪;5—后彎尾水管;6—前彎尾水管。
4.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)
為了驗(yàn)證數(shù)值模擬的可靠性,制作液力透平樣機(jī),對(duì)2種形式的葉輪進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。圖8所示為開式液力透平實(shí)驗(yàn)臺(tái),高壓泵排出的高壓液體經(jīng)流量計(jì)進(jìn)入透平,液力透平將液體具有的壓力能轉(zhuǎn)化為軸系的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能,測(cè)功機(jī)測(cè)量、消耗液力透平產(chǎn)生的軸功率并控制液力透平的轉(zhuǎn)速恒定,壓力變送器測(cè)量透平進(jìn)出口位置處的壓力。通過測(cè)量液力透平進(jìn)出口壓力、扭矩、轉(zhuǎn)速、流量等參數(shù),計(jì)算出液力透平的揚(yáng)程、軸功率和效率等。測(cè)功機(jī)扭矩測(cè)量精度為±0.4%,流量計(jì)精度等級(jí)為B級(jí),壓力變送器精度準(zhǔn)確度為0.1%。圖9所示為實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)用葉輪。
圖8 開式液力透平實(shí)驗(yàn)臺(tái)
(a) 液力透平;(b) 葉輪
4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
圖10所示為2種不同形式葉輪的外特性曲線,表3所示為2種形式葉輪外特性曲線最高效率點(diǎn)參數(shù)。從圖10和表3可以看出:高效點(diǎn)及高效點(diǎn)之后,前彎形葉輪流量效率曲線高于后彎形葉輪的流量效率曲線;流量揚(yáng)程曲線低于后彎形葉輪的流量揚(yáng)程曲線,2種形式的葉輪高效點(diǎn)之后軸功率相差不大。表3表明前彎形葉輪最高效率點(diǎn)的流量、揚(yáng)程、軸功率和效率分別比后彎形葉輪高24.45%,29.80%,68.95%和4.38%。
1—后彎η;2—前彎η;3—后彎Pshaft;4—前彎Pshaft;5—后彎H;6—前彎H。
表3 2種形式液力透平最高效率點(diǎn)參數(shù)
1) 具有前彎形葉輪的液力透平高效點(diǎn)向大流量偏移,高效點(diǎn)以及高效點(diǎn)之后的流量效率曲線高于后彎形葉輪的流量效率曲線,流量揚(yáng)程曲線低于后彎形葉輪的流量揚(yáng)程曲線,2種形式的葉輪軸功率相差不大。前彎形葉輪最高效率點(diǎn)的流量、揚(yáng)程、軸功率和效率分別比后彎形葉輪高24.45%,29.80%,68.95%和4.38%。
2) 2種液力透平葉輪內(nèi)部速度分布表明,前彎形葉片葉輪內(nèi)部速度梯度比后彎形葉片葉輪的小,前彎形葉片葉輪內(nèi)部水力損失較少。
3) 根據(jù)數(shù)值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析,前彎形葉輪的液力透平,具有體積小、效率高、可靠性高的特點(diǎn),因此,具有前彎形葉片的葉輪更適合在液力透平工況下 運(yùn)行。
4) 液力透平實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值的外特性預(yù)測(cè)結(jié)果趨勢(shì)相吻合,說明CFD可以用來對(duì)液力透平內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行性能預(yù)測(cè)和優(yōu)化設(shè)計(jì)。
[1] WILLIAMS A. Pumps as turbines used with induction generations of stand-alone micro-hydroelectric power plants[D]. Nottingham: Nottingham Polytechnic, 1992: 1?3.
[2] RAJA W A, PIAZZA R W. Reverse running centrifugal pumps as hydraulic power recovery turbines for seawater reverse osmosis systems[J]. Desalination, 1981, 38(1/2/3): 123?134.
[3] AMELIO M, BARBARELLI S. A one-dimensional numerical model for calculating the efficiency of pumps as turbines for implication in micro-hydro power plants[C]//Proceeding of ESDA:7th Biennial ASME Conference Engineering Systems Design and Analysis. Manchester, UK, 2004: 19?22.
[4] DERAKHSHAM S, NOURBAKHSH A. Experimental study of characteristic curves of centrifugal pumps working as turbines in different specific speeds[J]. Journal of Experimental Thermal and Fluid Science, 2008, 32: 800?807.
[5] WILLIAMS A A. The turbine performance of centrifugal pumps: a comparison of prediction methods[J]. Proc Instn Mech Engrs, 1994, 208: 59?66.
[6] SINGH P, NESTMANN F. Internal hydraulic analysis of impeller rounding in centrifugal pumps as turbines[J]. Experimental Thermal & Fluid Science, 2011, 35(1): 121?134.
[7] SINGH P. Optimization of the internal hydraulic and of system design in pumps as turbines with field implementation and evaluation[D]. Karlsruhe: University of Karlsruhe, 2005: 97?104.
[8] SINGH P, NESTMAN F. An optimization routine on a prediction and selection model for the turbine operation of centrifugal pumps[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2010, 34: 152?164.
[9] CHAPALLAZ J M, EICHENBERGER P, FISCHER G. Manual on pumps used as turbines[M]. Braunchweig, Germany: Spring Vieweg, 1992: 21?29.
[10] 楊孫圣, 孔繁余, 陳斌. 分流葉片對(duì)泵反轉(zhuǎn)式透平性能影響的數(shù)值研究[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào), 2010, 31(12): 141?144. YANG Sunsheng, KONG Fanyu, CHEN Bin. Spitter blades to the performance of pump as turbine using CFD[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2010, 31(12): 141?144.
[11] 楊孫圣, 孔繁余, 陳斌. 葉片包角對(duì)可逆式泵性能影響的數(shù)值研究[J]. 流體機(jī)械, 2011(6): 17?20. YANG Sunsheng, KONG Fanyu, CHEN Bin. Numerical research of blade wrap angle to the performance of reversible pump[J]. Fluid Machinery, 2011(6): 17?20.
[12] YANG Sunsheng, DAI Tao, XU Rongjun, et al. Numerical research on splitter blades design of centrifugal pump as turbine[J]. International Agricultural Engineering Journal, 2016, 25(4): 179?186.
[13] DERAKHSHAN S, MOHAMMADI B. Efficiency improvement of centrifugal reverse pumps[J]. Journal of Fluids Engineering, 2009, 131: 1?9.
[14] DERAKHSHAN S, MOHAMMADI B. Incomplete sensitivities for 3D radial turbomachinery blade optimization[J]. Computers and Fluids, 2008, 37: 1354?1363.
[15] DERAKHSHAM S, NOURBAKHSH A. Theoretical, numerical and experimental investigation of centrifugal pumps in reverse operation[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2008, 32: 1620?1627.
[16] 關(guān)醒凡.現(xiàn)代泵技術(shù)手冊(cè)[M]. 北京: 宇航出版社, 1995: 31. GUAN Xingfan. Pump handbook[M]. Beijing: Yuhang Press, 1995: 31.
[17] 楊孫圣, 孔繁余, 周水清, 等. 離心泵汽蝕性能的數(shù)值計(jì)算與分析[J]. 華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2010, 38(10): 93?95. YANG Sunsheng, KONG Fanyu, ZHOU Shuiqing, et al. Numerical simulation and analysis of centrifugal pump cavitation characteristics[J]. Journal of Huazhong University of Science and Technology (Natural Science Edition), 2010, 38(10): 93?95.
[18] DERAKHSHAN S, NOURBAKHSH A. Theoretical, numerical and experimental investigation of centrifugal pumps in reverse operation[J]. Experimental Thermal and Fluid, Science, 2008, 32(5): 1620?1627.
[19] 楊孫圣, 孔繁余, 邵飛, 等. 液力透平的數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)[J]. 江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2012, 33(3): 165?169. YANG Sunsheng, KONG Fanyu, SHAO Fei, et al. Numerical calculation and experiment of hydraulic turbine[J]. Journal of Jiangsu University (Natural Science Edition), 2012, 33(3): 165?169.
[20] SPENCE P, AMARAL-TEIXEIRA J. Investigation into pressure pulsations in a centrifugal pump using numerical methods supported by industrial tests[J]. Computer Fluids, 2008, 37(6): 690?704.
(編輯 楊幼平)
Performance of two types of hydraulic turbine impellers
YANG Sunsheng1, ZHANG Hui2, KONG Fanyu1, LIU Yingying1
(1. Research Center of Fluid Machinery Engineering and Technology, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China;2. Zhenjiang Water Supply Company, Zhenjiang 212013, China)
To improve the efficiency of hydraulic turbine, forward and backward-swept impellers were designed. Theoretical analysis, calculation simulation and experimental research were carried out on forward and backward-swept impellers. Performance difference of these two impellers was found by adopting computational fluid dynamic software ANSYS CFX. The internal fluid flow law in impeller was analyzed. The results show that compared with that of backward-swept impeller the flow rate, head, shaft power and efficiency at the best efficiency point (BEP) of forward swept impeller are increased by 24.45%, 29.80%, 68.95% and 4.38%, respectively. After BEP, turbine’s?curve of impeller with forward-swept impeller is higher and?curve is lower than that of backward-swept impeller. The variation of shaft power of these two impellers is small. Internal velocity distribution shows that gradient of velocity in forward-swept impeller is smaller than that in the backward-swept impeller. And hydraulic loss in forward-swept impeller is less than that in the backward one. The coincidence of experimental and numerical results demonstrates that CFD can be used in the performance prediction and optimization of hydraulic turbine.
hydraulic turbine; forward-swept impeller; backward-swept impeller
TH322
A
1672?7207(2017)04?0977?07
10.11817/j.issn.1672?7207.2017.04.017
2016?04?28;
2016?07?10
國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11602097);江蘇大學(xué)引進(jìn)人才項(xiàng)目(13JDG081)(Project (11602097) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (13JDG081) supported by the Introduce Talents Project of Jiangsu University)
楊孫圣,博士,助理研究員,從事能量回收設(shè)計(jì)理論與技術(shù)應(yīng)用研究;E-mail:yangsunsheng@126.com