管道垂直型螺旋式水轮机的数值模拟研究*

吕强 张文斌 郭勇 陈如华 王晓晖 匡开林

摘要：为解决用于水表井中的远传设备供电不足，对水表管道结构进行适当改造，引入垂直型螺旋式水轮机组对锂电池进行充电，使得设备处于最佳运行状态。本文将针对90°和120°两组不同包角的叶片在不同工况下进行全流道数值模拟，分析内流状态并进行选优。结果表明，当转速由100r/min到1000r/min过程中，90°包角涡轮出现反转，但是回收效率逐渐增加，120°包角涡轮正转，且功率呈抛物线趋势。在转速约为500r/min时，120°包角涡轮达到最优工况，在此工况下120°包角涡轮内部流动湍动能较小，能量耗散弱，运行更加稳定。

关键词：垂直型螺旋式水轮机;包角;数值模拟;湍动能

中图分类号：TK73文献标志码：A

0 引言

目前自动抄表系统在供电、天然气等领域已经广泛应用，自来水自动抄表的应用也在普及，影响其推广的主要原因就是设备供电问题。大口径水表安装在水表井中，环境潮湿，交流电源无法引入。在水表井中用电设备有数据采集模块和远传发射终端两部分，由于安装环境的制约，数据采集模块和远传终端供电只能采用内置干电池供电。

远传终端是将采集模块采集到的数据运用GPRS技术发送到互联网，通过对应的网页和软件显示出来，做为收费的依据。远传终端设备内部装有一组电池，在设计时一方面需要尽量加大电池的容量，另一方面需要减小设备的功耗。

为解决以上问题带来的不便，本文针对自来水表这一流量监测设备对管道进行简易改进，引入垂直型螺旋式水轮发电机对蓄电池进行不间断供电，确保各种远传监测设备处于最佳运行状态。本研究针对两种不同包角的涡轮采用ANYSIS CFX数值模拟软件进行全流道数值模拟，分析不同包角的叶片在不同工况下回收效率，为管道式超微型水轮机组选择最优涡轮，对未来管道供电系统的研发工作有一定指导作用。

所设计发电装置装配图如图1所示，该装置由线圈槽、磁铁槽、涡轮和螺纹主体四大部分组成，管道来流冲击涡轮驱动涡轮旋转，通过连接轴带动磁铁槽中磁铁来切割磁感線产生感应电动势，从而产生电流来为储蓄电池供电，而螺纹主体则是一种密封装置，内置传动轴传输涡轮产生的扭矩，该装置结构简单，便于安装和维护，满足在不同环境下自来水管道用电设备的需求。

1叶轮几何造型

本文研究对象为一直径为D=50mm的自来水管道，长度H=150mm，管道内压力P=0.5MPa，流量Q=25m/h。其叶轮设计参数为：叶轮直径d=16mm，叶轮宽度b=15mm，叶片数Z=3，叶片包角分为90°和120°，所设计涡轮物理模型如图2及图3所示。

2 数值计算

本文采用非结构化网格进行划分，分别对两种不同包角的涡轮进行了网格无关性研究，两种涡轮在网格总数均大于300万时其效率较为稳定，波动较小，因此将两种模型的总网格数控制在300万左右。本文90°包角模型总网格数量为326万4489，其节点数量为57万6836，120°包角模型总网格数量为327万2654，其节点数量为57万8275。

利用ANYSIS-CFX软件对两种不同包角的涡轮模型进行全流道数值模拟，整个计算域如图4所示。分析类型为稳态，湍流模型选用k-ε模型。采用速度进口，压力出口，输送介质为25℃清水，计算收敛标准为10，动静交界面采用Frozen rotor，固壁采用无滑移边界条件。

3计算结果分析

3.1外特性分析

采用ANYSIS CFX对两种不同包角的模型从转速100r/min到1000r/min进行数值模拟，因为自来水管道压力通常较为恒定，所以我们给定进口速度为3.5m/s，出口压力为0.5MPa。对两组不同包角涡轮的扭矩展开分析讨论，其结果如图5和图6所示，图5为两种涡轮的输出扭矩特性，从图中可以看出，90°包角涡轮出现反转，扭矩随转速增加而增大，而120°包角涡轮随转速增加扭矩呈下降趋势，最后停止转动且出现反转，说明两种模型由于设计结构或者安装位置的原因出现叶片背面受力大于工作面受力，在运行过程中背面承受压力对涡轮造成较大能量损失。

图6是两种不同包角涡轮的输出功率特性曲线，从图中可以看出90°包角涡轮虽然出现反转，但是回收功率却随转速逐渐增加;120°包角涡轮回收功率随转速呈抛物线分布，转速大约为500r/min时，回收功率达到最高。

3.2 内流场分析

90°包角涡轮与120°包角涡轮在转速为500r/min时得扭矩和回收功率相近，因此我们对两组涡轮在转速为500r/min时展开内流分析及讨论：

3.2.1压力分布

图7和图8为90度和120度包角涡轮的压力分布云图，从涡轮局部压力分布来看，90度包角涡轮压力集中在叶片的背面，造成叶片背面所受压力始终大于工作面所受压力，所以涡轮工作开始就出现了反转现象，且随着转速的增加，叶片背面所受压力逐渐大于工作面所受压力，涡轮功率逐渐增加。120度包角涡轮压力集中在涡轮的工作面，在转速为900r/min之前，叶片工作面所受压力始终大于叶片背面所受压力，涡轮处于正转状态，当转速大于900r/min时压力大小分布相反，此时也出现反转现象。

3.2.2速度矢量分析

图9与图10为两种模型的速度矢量图，来流由上而下冲击涡轮，从图中可以看到来流冲击到叶片之后的流动状态，两种涡轮都在来流的冲击下在工作面产生了较强的漩涡。90度包角涡轮由于是反转状态，故产生的漩涡强度大，能量耗散强度大，虽然功率随转速增加而增大，但是造成了管道能量的损失。120度包角涡轮流动则显得更为紊乱，这是由于增大了包角之后，叶片对流体的束缚能力增强，但是又造成了工作面内流体形成二次流，转速增加，叶片工作面与背面的受力则逐渐趋于相等直至出现反转的状态，所以该包角涡轮的功率呈抛物线形分布，在转速约为500r/min之后效率持续下降直至反转。

4 总结

通过对两种不同包角涡轮在不同转速下进行全流道数值模型，分析了其外特性及内部流动状态，从而确定了垂直型螺旋式涡轮包角对性能的影响，主要得出以下结论：

（1）在来流一定的情况下，90度包角涡轮工作面受力小于叶片背面受力，造成涡轮反转，但效率随转速逐渐增加。120度包角涡轮则随转速增加叶片工作面受力与背面逐渐趋于平衡，最终出现反转，效率在500r/min时最优。

（2）120°包角涡轮相对于90°包角叶片对流体则表现出更强的约束力，但由于结构为螺旋结构，增大包角造成流体在工作面内形成二次流，产生较强的漩涡，耗散了能量，而90度包角涡轮由于反转造成了更大的能量损失。

（3）两种涡轮在选型时应根据实际情况，当转速小于500r/min时则选取120度包角涡轮，此时能量损失较弱，效率较高;当转速大于500r/min时，则选取90包角涡轮，对应输出功率大。