冷却塔专用新型双级贯流式水轮机的转轮直径优化

黄敏，屈波，皮雪松，许卓

（1.河海大学能源与电气学院，江苏 南京210098;2.贵州乌江水电开发有限责任公司乌江渡水电厂，贵州遵义 563000）

0 前言

冷却塔专用水轮机的开发，是利用冷却塔出水口的富裕水头［1］带动风扇旋转制冷，代替原有的风扇电动机，从而达到节能的目的［2］。冷却塔中代替风扇电动机的水轮机结构尺寸受冷却塔形状尺寸的约束，且水流流量和工作水头的限制性较大，对水轮机的性能要求较高。一般情况下，混流式的水轮机的效率较高，应用比较普遍，但是混流式水轮机带有蜗壳，尺寸较大，所以尺寸较小的双级贯流式水轮机就应运而生。

一般情况下，随着水轮机尺寸增大，水轮机的效率也增加［3］。但是因为转轮轮缘间隙的存在而产生间隙泄漏流动［4］，随着转轮直径的增大，间隙泄漏的流量就越大，对水轮机的效率就有一定的影响，所以本文采用CFD软件对双级贯流式水轮机的第二级转轮在不同转轮直径下进行数值模拟，试图找出最优化的转轮直径使水轮机的效率最高。

1 水轮机的基本参数

新型双级贯流式水轮机是由第一导叶区、第一转轮区、第二导叶区、第二转轮区、尾水管和旋转轴六部分组成。它的额定水头是Hr，额定转速是nr。图1为新型双级贯流式水轮机的结构示意图。

图1 双级贯流式水轮机结构图

一级导叶的排挤系数k11，入口角度α11，出口角度α12，叶片数为z1。一级转轮排挤系数k12，入口角度β11，出口角度β12，叶片数为z2。二级导叶的排挤系数k21，入口角度α21，出口角度α22，叶片数为z3。二级转轮排挤系数k22，入口角度β21，出口角度β22。叶片数为z4。

2 控制方程及数值模拟

2.1 控制方程

连续方程和动量方程:水流在通过水轮机时，可以视为不可压缩流体，即在此过程中，水的密度保持不变。流体流动遵循基本的守恒定律，描述为控制方程:

湍流方程:在本研究中，选用标准k－ε模型［5］。k－ε模型是双方程模型，在本数值模拟的计算中具有较好的收敛性和稳定性。k－ε模型中，变量k和ε是两个基本未知量。

式中，Gk为由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项，Gb为由于浮力引起的湍动能k的产生项，YM代表可压湍流中脉动扩张的贡献，C1ε，C2ε，C3ε是经验常数，σk和 σε分别是与湍动能k和耗散率ε对应的Prandtl数，Sk和Sε是用户定义的源项。

2.2 数值模拟

在保证进口、出口和过流断面面积不变，并且考虑水轮机的导叶和转轮均有2 mm的间隙泄漏的前提下，选取6个工况进行数值模拟。工况一:转轮半径在原有的尺寸基础上上加5 mm;工况二:原有尺寸;工况三:转轮半径在原有的尺寸基础上减5 mm;工况四:转轮半径在原有的尺寸基础上减10 mm;工况五:轮半径在原有的尺寸基础上减12 mm;工况六:转轮半径在原有的尺寸基础上减15 mm。

对上述6个工况分别用Fluent的前处理器Gambit进行三维建模并划分网格，之后导入Fluent中进行计算。进口面的边界条件均设为PRESSURE_INLET，压力P=ρgh。出口的边界条件为PRESSURE_OUTLET。壁面采用无滑移边界条件。

3 计算结果及分析

3.1 初选方案的确定

表1 不同工况的换转效率

图2为各个工况点的效率对比值:

有上图可知，通过6个工况效率的对比，可以选定工况四和工况五为初选方案，以下再通过整个流道的流线、叶面的压力等值线的分析，来最终确定最优方案。

图2 各个工况点的效率对比值

3.2 初选方案的流线对比

为了更好的看到效果，把水轮机从中间切开，只看一半的流线图，图3和图4为两个工况的流线图。

由图3、图4可知:工况四时，一级导叶区域的流线比较均匀，一级转轮的进口撞击较小，一级转轮的轮缘间隙流动比较杂乱，从叶片进口到出口有较明显的横向流动，二级导叶的进口水流方向有明显的改变，且有漩涡，二级导叶和二级转轮轮缘间隙处的流线比较杂乱;工况五与工况四相比，一级转轮区域的横向流动更为明显，且一级转轮的出水边有很明显的漩涡。

3.3 初选方案叶片压力等值线的对比

从Tecplot中处理后的压力图知，工况四和工况五的一级导叶、一级转轮和二级导叶的压力等值线分布差不多，所以此处只列出二级转轮的压力分布图进行对比。图5，图6为两个初选方案的二级转轮压力等值线图。

由图5、图6可图知:工况四时，压力从进水边至出水边降幅比较均匀，且在叶片的吸力面出现大量的低压区，当压力小于临界压力的时候将产生空化空蚀;工况五的压力面等值线图和工况四的差不多，但是工况五的吸力面负压区较多，发生空化的可能性较高。

4 总结

通过效率的对比可知，工况四比工况五的效率高一点;通过流线图的对比，可知工况四的轮缘间隙的流动比较复杂，工况五的一级叶片出水后有明显的漩涡，轮缘间隙的流动也比较复杂;通过压力等值线的对比，可知工况五的二级叶片吸力面的负压区比工况四多。由以上三个反面的分析，可以选定工况四为最终优化方案，即在转轮直径在专利的基础上减10 mm。

［1］陈满华，郑源，周大庆，等.新型环保小型水轮机节能开发研究［J］.能源研究与利用，2007（01）:16-18.

［2］郑源，张丽敏，尹义武，等.冷却塔中新型混流式水轮机设计［J］.排灌机械工程学报，2010，11（6）:484-487.

［3］刘大凯.水轮机［M］.北京:中国水利水电出版社，1997.

［4］赵道利，梁武科，万天虎，等.灯泡贯流式水轮机轮缘间隙流动的数值模拟［J］.西安理工大学学报，2007，23（3）:246-250.

［5］李进良，李承曦，胡仁喜，等.精通 FLUENT6.3流场分析［M］.北京:化学工业出版社，2010.46-47.