蜗壳形状对冷却塔超低比转速水轮机的影响

冯 珂，陈晓宇

（华北水利水电大学电力学院，河南 郑州 450045）

工业冷却塔水轮机作为一种新兴技术，是采用水轮机代替电动机作为驱动风机的动力装置，达到冷却塔内的循环水与外部空气的冷热交换的目的，它充分利用了循环冷却水系统的富余能量，具有节能高效的优点[1-2]。在工作环境上，冷却塔专用水轮机工作环境是有压密闭，且其转速要与风机相匹配，受直连风机转速的限制，因而具有超低比转速特性[3]。

目前国内学者对工业冷却塔专用水轮机的研究主要集中在水轮机水力设计、性能优化等方面[4-9]。蜗壳作为第一个过流部件，它的好坏直接影响到水轮机的性能，章志平[10]设计了一种新型的冷却塔水轮机椭圆型蜗壳，减小了水轮机的横向尺寸，且水力性能好，解决了圆断面蜗壳占用空间的问题。冯汉扩[11]以超低比转速轴流式水轮机为研究对象，提出将蜗壳内圆后移的方法，水轮机的整体效率有了明显提高。吴迎新[12]在超低比转速斜流式水轮机原蜗壳断面的基础上，增加了四种改变蜗壳断面面积的方案并对其进行数值模拟，研究发现水轮机的工作水头有显著提高，由原来的3.77m增加到6.6m，且满足了转轮进口环量。以上研究表明，蜗壳对工业冷却塔水轮机的性能影响较大，而关于蜗壳对超低比转速水轮机影响的研究较少，有必要进一步深入研究。

本文以用于工业冷却塔的超低比转速斜流式水轮机为研究对象，分别设计圆形、梯形、矩形三种断面形状的蜗壳，与其他过流部件相匹配，基于CFD对不同蜗壳断面形状的水轮机进行全流道的数值模拟，分析数据结果，研究其水力性能和内部流场的变化情况，选出适用于超低比转速斜流式水轮机的最佳蜗壳断面形状，为今后的冷却塔专用超低比转速水轮机蜗壳的优化提供参考，使其有更好的节能效果。

1 超低比转速水轮机的主要参数

本文的研究对象为一台用于工业冷却塔的超低比转速斜流式水轮机，其工作参数为：流量500m3/h，水头7.5m，转速240r/min，水轮机主要几何参数为：转轮进口直径D1=450mm，转轮出口直径D2=240mm，转轮进口宽度B2=40mm，转轮叶片包角φ=5°，转轮叶片转轴线倾斜角为45°，转轮叶片数为22；蜗壳基圆直径D3=506.56mm，蜗壳进口直径D4=254mm。

根据蜗壳的水流运动规律，本文采用速度系数法设计了断面形状分别为圆形、梯形、矩形的三种蜗壳与其他过流部件组合，在设计时要遵循蜗壳基圆直径D3、进口直径D4及各断面面积相等的原则。三种蜗壳的断面形状如图1所示。

图1 三种蜗壳断面示意图

2 数值计算

数值模拟的区域为超低比转速斜流式水轮机整个流道，包括蜗壳、斜向导叶、斜流式转轮以及直筒式尾水管四个过流部件，首先根据各部件的几何参数，利用Creo Parametric 6.0软件建立三维模型并进行装配，如图2所示。然后对计算域进行网格划分，这里采用适应性较好的非结构化网格，如图3所示。

图2 水轮机各过流部件三维模型

图3 计算域网格图

为了保证数值计算结果的准确性，对蜗壳断面为圆形的水轮机模型进行网格无关性验证。本文以效率作为网格无关性验证的指标，采用七种不同数量的网格对圆形断面的水轮机模型进行数值模拟，结果如图4所示，随着网格数量的增加，该水轮机的效率先升高后趋于稳定，综合考虑计算精度和时间，本文选取的网格规模为320万，此时水轮机的效率偏差保证在0.3%以内。

图4 网格无关性验证

采用Fluent 16.0软件对三种蜗壳断面形状的水轮机模型进行定常计算，蜗壳进口边界条件设为速度进口，尾水管出口边界条件设为零压力出口，各个部件交界面设置为Interface，采用基于压力的求解器，计算收敛标准设为10-4，采用k-ω湍流模型。

3 结果分析

3.1 外特性分析

3.1.1 性能曲线

分别在0.6Qr—1.3Qr共八个流量工况下对三种蜗壳断面形状的水轮机模型进行定常计算，得到三种方案的外特性曲线，如图5所示。

图5 不同蜗壳断面形状的水轮机外特性曲线

从水头-流量曲线可以看出，三种蜗壳断面形状的水头变化趋势基本相同，随着流量的增加，三种蜗壳断面的超低比转速斜流式水轮机的水头逐渐增大，具有圆形断面蜗壳的水轮机水头高于梯形和矩形。从效率-流量曲线可以看出，在小流量工况和设计工况时，圆形断面蜗壳的水轮机效率明显最高，且高效区宽广，其次是矩形断面，梯形断面几乎和矩形断面效率相等，随着流量的增加，三种蜗壳断面的效率逐渐接近，在1.3Qr大流量工况时矩形断面的效率略微高于圆形断面0.12%。三种断面形状的效率均在设计工况点达到最优，此时圆形断面蜗壳的水轮机效率为83.90%，分别比矩形和梯形断面蜗壳的水轮机效率高出0.48%和0.71%。

3.1.2 水力损失

图6 a和6b分别为三种蜗壳断面形状的水轮机在不同工况下蜗壳和转轮内的水力损失情况。由Fluent软件结果可以得到各过流部件的进口和出口压力，从而计算水力损失h，计算公式为：

式中，Pin和Pout分别为过流部件进口和出口压力，Pa；ρ为水的密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2。

从6a可以看出，不同流量工况下，圆形断面蜗壳的水力损失均明显小于其他两种蜗壳断面形状，以设计工况为例，圆形蜗壳的水力损失为0.032m，分别比梯形和矩形断面低0.008m和0.006m，因此圆形断面蜗壳的水力性能好。从6b可以看出，随着流量的增加，不同蜗壳断面形状的水轮机中转轮的水力损失均先减小后增大，刚开始圆形断面的水力损失最小，后逐渐略高于其他两种断面，这是因为水流的流动前后都是相互影响的，圆形断面在出口处的收缩率较大，对流体进入导叶和转轮的方向有一定的影响，导致在转轮进口处有一定的冲击损失，流量越大，这部分的冲击损失越大。矩形断面的转轮水力损失始终小于梯形断面。

为了更直观的分析断面形状对各过流部件总损失的影响情况，图6c为总损失占该工况水头的比例，可以看出圆形断面蜗壳的水轮机总损失占水头的比例最小，梯形断面和矩形断面的几乎差别不大，且三种蜗壳断面形状的过流部件总损失占比均在设计工况时取得最小值，具体数据如表1所示。

表1 不同工况下三种蜗壳断面形状的水力损失

图6 不同蜗壳断面形状的水轮机过流部件水力损失图

3.2 内特性分析

3.2.1 速度流线分布

图7 和图8分别为最优工况下三种蜗壳断面形状的水轮机蜗壳和转轮内部速度流线分布情况。从图7可以看出，三种断面形状的蜗壳在外壁处沿水流方向都有明显的断流流线，随着蜗壳断面面积的减小，水流速度增大，水流与壁面撞击增强，导致蜗壳水力损失增大。在靠近蜗壳隔舌处梯形断面局部水流流速最大（即图7中的位置A），这会导致给转轮提供的环量不均匀，其次是矩形断面，圆形断面速度最小，因此圆形断面的蜗壳水力损失会小一些。从整体来看，相对于其他两个断面形状蜗壳，圆形断面蜗壳的流线分布更加均匀，流态更好。

图7 蜗壳速度流线分布图

图8 转轮速度流线分布图

从图8可以看出，蜗壳断面形状不同的水轮机转轮内部流线分布基本相同，转轮叶片进口水流速度小，出口水流速度大，这是因为转轮叶片弯曲，叶片出口处流道变窄，水流受叶片挤压作用增强，因此水流速度增大。转轮内部流线分布与叶片形状基本一致，在叶片进口处和叶片工作面弯曲处出现不同程度的断流现象。

3.2.2 湍流动能分布

为了更清楚地分析流体在蜗壳内的水力损失原因，图9为三种不同断面形状的蜗壳分别在270°和90°包角处截面的湍流动能云图。从图中可以明显看出，不同断面形状的蜗壳沿半径方向，湍流动能呈层状均匀增大，特别是靠近蜗壳出口壁面的位置，湍流动能变化范围更大。湍流动能变化的范围和大小在梯形断面最大，矩形断面次之，圆形断面最小，这在右侧包角90°的截面上尤其明显，主要是梯形和矩形断面蜗壳相邻两边夹角的原因，在夹角处的湍流动能大，导致蜗壳的局部损失变大，而对圆形断面蜗壳来说，相应位置的局部损失要小得多。

图9 蜗壳横截面的湍流动能云图

4 结论

（1）在设计工况下不同断面形状的水轮机中，圆形断面的效率最高，分别比矩形和梯形断面高出0.48%和0.71%；圆形断面的蜗壳水力损失最低，水力性能好，与之对应转轮的水力损失却略高于矩形和梯形断面，但总损失占水头的比例最小。

（2）不同蜗壳断面形状的水轮机，在蜗壳内靠近隔舌处出现局部高速区，梯形断面速度最大，圆形断面速度最小，流态较好，在转轮中叶片进口和弯曲处均出现不同程度的断流现象。蜗壳的湍流动能沿半径方向呈层状均匀增大，圆形断面蜗壳的湍流动能变化范围最小。

（3）对于本文所选的冷却塔超低比转速水轮机，推荐其蜗壳断面形状为圆形，此时效率最高，内部流态最好。