冷却塔能量回收水轮机的叶片数对水力性能的影响

朱鹏艳，卜祥宇，惠志磊

(1.华北水利水电大学， 河南 郑州 450003； 2.南水北调中线局 河南分局， 河南 郑州 450003)

冷却塔能量回收水轮机的叶片数对水力性能的影响

朱鹏艳1，卜祥宇2，惠志磊1

(1.华北水利水电大学， 河南 郑州 450003； 2.南水北调中线局 河南分局， 河南 郑州 450003)

利用PRO/E软件对水轮机进行三维建模，应用k-ε湍流模型和雷诺时均N-S方程对水轮机进行数值模拟，研究了不同叶片数对水轮机各过流部件水力损失、效率以及压强和流速分布的影响。结果表明：随着转轮叶片数的增加，水轮机效率先增大后减小，在叶片数为20时达到峰值。同时，增加叶片数，叶片间的涡带变小，转轮流线旋转环量增大。水轮机各过流部件中转轮损失最大，损失水头在1 m左右。

冷却塔；轴流式水轮机；叶片数；水力损失；流场分析

在电力行业、化工行业中冷却塔被普遍使用，传统的工业冷却塔的动力装置，通常是采用电动机驱动风机来使冷却塔内的循环水与外部空气进行冷热交换，但这种方式消耗电能很大，造成能源浪费[1-2]。近年来，学者研究用水轮机代替电动机驱动风机达到节能的目的[3-5]，使得水轮机的应用范围更加广泛。

用水轮机回收余能最早由美国人在1965年用专利形式提出，但之后相关的应用或研究较少。国内科研人员对冷却塔用水轮机的研究历经了10余年时间，冷却塔用水轮机的发展经历了以双击式水轮机、反击式水轮机和冷却塔专用水轮机三个阶段[6-13]。但针对冷却塔专用水轮机叶片数对其水力性能影响的研究较少，而叶片数作为重要参数对离心泵、液力透平水力性能的研究相对较多[14-16]。文献[14]中指出叶片数对液力透平扬程影响不大，随着叶片数的增加，叶轮进口漩涡区域减小，内部流线更加平顺。在工业冷却塔中作为余能回收利用的一种专用水轮机，其效率的提高对余能回收利用极为重要。

以工业冷却塔轴流式水轮机作为研究对象，在设计流量工况下，计算不同叶片数下水轮机的效率和各过流部件的水力损失，进行转轮叶片数对水轮机水力性能的影响研究，为冷却塔专用水轮机的优化提供参考依据。

1 数值计算

所选用微型水轮机原型的基本参数如表1所示。

表1 水轮机基本参数

1.1 计算域建模

利用三维建模软件PRO/E对水轮机实体进行1∶1建模，分为蜗壳、导叶、转轮、尾水管四部分，水轮机三维模型见图1。

图1水轮机各部件三维模型

1.2 计算域网格划分及无关性验证

利用ICEM软件对各水力部件进行网格划分，选用适应性较强的四面体非结构化网格，并对转轮和导叶的叶片分别进行加密，划分完成后对网格进行敏感性分析。如图2所示，当网格数为943 816时，继续增大网格数，数值模拟的水头已趋于稳定(变化率小于1%)，表明对数值模拟的计算结果影响不大，满足计算要求。因此，选取计算域网格总数为943 816，其中蜗壳单元数为312 354，导水区域单元数为143 574，转轮区域单元数为444 630，尾水管区域单元数为43 258。

图2计算域网格划分无关性验证

1.3 边界条件

在蜗壳入口边垂直进口方向根据设计流量值设定速度进口，其值为2.83 m/s；出口设定为压力出口，其值为Pout=0 Pa。在固壁处设定无滑移边界条件；近壁区采用标准壁面函数来计算；在叶轮与导叶间用Frozen rotor法来耦合动静交界面。

1.4 控制方程

采用k-ε模型，其湍动能k方程和耗散率ε方程可以写成：

Pk-ρε

(1)

(2)

Pk方程为：

Pk=μtU·(U+UT)-

(3)

式中：Pk是黏性力和浮力的湍流生成项，湍流模型常数Cε1=1.44，Cε2=1.92，σk=1，σε=1.3。

2 叶片数对水轮机性能的影响

2.1 叶片数对水轮机效率的影响

水轮机的效率η直接反应水轮机性能是否得到提高。对水轮机过流部件进行数值计算后，依据其工作水头H和叶片工作面、背面的力矩之和M可求得水轮机的效率。

根据水轮机进出口总压获得水轮机的工作水头H，即

H=(Pin-Pout)/ρg+Δz

(4)

则水轮机的效率为：

η=Mω/(ρgQH)

(5)

式中：Pout为尾水管出口总压；Pin为蜗壳进口总压；Δz为进出口高度差，Δz=550 mm；ρ为水的密度，ρ=1.0×103kg/m3；g是重力加速度；ω是角速度，ω=2πn，n=240 r/min。

在原型的基础上，改变其叶片数，计算得出9种工况下水轮机的效率η，结果见表2。水轮机的效率随着叶片数的增加先增大后减小，叶片数为Z=20时，效率达到峰值。同时，增加叶片数，转矩逐渐增大，说明增加叶片数使得叶轮的输出转矩增大，效率逐渐增大，但于此同时，也增大了摩擦面积，损失增大，水轮机会随着叶片数的增多效率有所降低。因此增加4个叶片，使得水轮机水力损失的增加小于输出转矩的增大，从而提高了效率η。

表2 不同叶片数下水轮机的效率

2.2 叶片数对水轮机各过流部件水力损失的影响

当水流流经水轮机各过流部件时，产生摩擦、涡流或脱流。这些因素都会产生水力损失。不同叶片数下各过流部件水力损失见表3。

表3 水轮机各过流部件水力损失计算

由表3可知，水轮机转轮部件的损失最大，损失水头在1 m左右。图3显示了转轮水力损失占总损失的百分比，随着叶片数的增加，转轮占总损失的百分比先减小后增大。其主要原因是：叶片数过少，造成转轮流道过宽，更容易产生脱流现象，增大损失。叶片数过多，使得流道过窄，造成排挤，摩擦损失也增加，造成了损失增大。

图3转轮损失占总损失的百分比

3 流场分析

3.1 不同叶片数下叶片的压强分布

图4不同叶片数压强分布图

图4分别为14叶片、16叶片、18叶片、20叶片压强分布云图，4个模型叶片工作面的压强分布由叶片外侧向内侧逐渐减小，叶片外侧存在局部高压区，并有明显的高压区域界限。叶片背面的压强处于低压范围，压强由叶片的外侧向内侧逐渐减小。叶片进口处存在小面积的高压区域，呈条状分布。随着叶片数的增加，叶片工作面的高压面积增大，叶片背面的负压区逐渐减小。同时，液体受挤压程度越大，压强梯度越明显。

3.2 不同叶片数下转轮的流线分布

图5为不同叶片数下转轮部件流线云图，由图5可知，4种叶片数的流线分布规律基本相同，转轮流线分布稍显紊乱，叶片进口速度较小，出口速度较大。叶片进口处、叶片表面及靠近转轮室内壁处都出现断流现象。叶片之间有漩涡，且随着叶片数的增加，漩涡越来越小。同时，叶片数的增加也增大了转轮的流线旋转环量。

4 结 论

(1) 叶片数为20时效率达到峰值，较原型效率提高了3.5%。

(2) 水轮机转轮部位损失最大，损失水头在1 m左右。随着叶片数的增加，叶轮的损失占总损失的百分比先增大后减小。

(3) 随着叶片数的增多，叶片工作面的高压面积增大，叶片背面的负压区逐渐减小。同时，转轮转矩增大，获得更高的效率，但叶片数过多，摩擦损失也就越大，效率随之下降。

(4) 随着叶片数的增加，叶片间的涡流减小，转轮的流线旋转环量增大。

图5不同叶片数转轮流线图

[1] 郭悟天.“十三五”能源规划中工业节能设备将排首位[J].节能,2014(9):23.

[2] 李延频,南海鹏,陈德新.冷却塔专用水轮机组的调节特性研究[J].水力发电学报,2011,30(3):187-190.

[3] 陈德新,张文俊,阳 莉.冷却塔风机驱动水轮机的工作特点与型式选择[J].水力发电,2010,36(12):54-56.

[4] 张飞狂.微型水轮机在冷却塔的应用[J].工业水处理,2004,24(3):57-59.

[5] 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,2010,28(6):484-487.

[6] 张飞狂.水动风机冷却塔的节能[J].工业用水与废水,2004,35(1):60-61.

[7] 李大应,金先培.水动能回收冷却塔:CN201072304[P].2008-06-11.

[8] 陈德新,庞辉春.冷却塔风机驱动专用混流式水轮机：CN201250750[P].2009-06-03.

[9] 张飞狂.冷却塔水轮机:CN2530233[P].2003-01-08:

[10] 李大应,金先培.冷却塔用反击式水轮机：CN201071779[P].2007-06-11.

[11] 李大应,金先培.冷却塔用水动力风机:CN101074677[P].2007-11-21.

[12] 陈德新,庞辉春.冷却塔风机驱动专用超低比转速混流式水轮机转轮：CN101555859[P].2009-10-14.

[13] 周大庆,郑 源,顾星康,等.一种超低比转速混流式水轮机：CN101482083[P].2009-07-15.

[14] 管 将,胡静宁,徐 燕,等.叶轮叶片数对液力透平性能的影响[J].中国农村水利水电,2013,(11):132-135．

[15] 袁寿其,吴登昊,任 芸,等.不同叶片数下管道泵内部流动及振动特性的数值与试验研究[J].机械工程学报,2013,49(20):115-122.

[16] 王 洋,王维军,刘洁琼.基于Fluent的叶片数对低比转速离心泵内部流场的影响[J].中国农村水利水电,2011(12):148-150，155.

InfluenceofBladeNumberonHydraulicPerformanceofSuperLowSpecificSpeedTurbineofCoolingTower

ZHU Pengyan1, BO Xiangyu2, HUI Zhilei1

(1.NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower,Zhengzhou,He'nan450003,China; 2.South-to-NorthWateroftheMiddleLineBureauHe'nanBranch,Zhengzhou,He'nan450003,China)

The three-dimensional modeling of turbine is carried out by using PRO/E software. Numerical simulation of hydraulic turbine is carried out by applyingk-εepsilon turbulence model and Reynolds time averaged N-S equation,the influence of the number of blades on hydraulic loss, efficiency, pressure and velocity distribution of flow passage of hydraulic turbine is analyzed. The results show that the turbine efficiency increases first and then decreases with the increase of the number of runner blades, and reaches the peak value when the blade number is 20. At the same time, the number of blades increases, the vortex bands between the blades become smaller, and the rotating circle of the runner is increased. The runner loss is the biggest, and the loss head is about 1 m.

coolingtower;axial-flowturbine;bladenumber;hydraulicloss;flowfieldanalysis

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.06.035

2017-07-20

2017-08-21

朱鹏艳(1992—)，女，河南新乡人，硕士研究生，研究方向为水利水电工程。 E-mail：1561238447@qq.com

TV734.1

A

1672—1144(2017)06—0177—04