黃敏，屈波，皮雪松，許卓

（1.河海大學能源與電氣學院，江蘇 南京210098;2.貴州烏江水電開發(fā)有限責任公司烏江渡水電廠，貴州遵義 563000）

0 前言

冷卻塔專用水輪機的開發(fā)，是利用冷卻塔出水口的富裕水頭［1］帶動風扇旋轉(zhuǎn)制冷，代替原有的風扇電動機，從而達到節(jié)能的目的［2］。冷卻塔中代替風扇電動機的水輪機結(jié)構(gòu)尺寸受冷卻塔形狀尺寸的約束，且水流流量和工作水頭的限制性較大，對水輪機的性能要求較高。一般情況下，混流式的水輪機的效率較高，應用比較普遍，但是混流式水輪機帶有蝸殼，尺寸較大，所以尺寸較小的雙級貫流式水輪機就應運而生。

一般情況下，隨著水輪機尺寸增大，水輪機的效率也增加［3］。但是因為轉(zhuǎn)輪輪緣間隙的存在而產(chǎn)生間隙泄漏流動［4］，隨著轉(zhuǎn)輪直徑的增大，間隙泄漏的流量就越大，對水輪機的效率就有一定的影響，所以本文采用CFD軟件對雙級貫流式水輪機的第二級轉(zhuǎn)輪在不同轉(zhuǎn)輪直徑下進行數(shù)值模擬，試圖找出最優(yōu)化的轉(zhuǎn)輪直徑使水輪機的效率最高。

1 水輪機的基本參數(shù)

新型雙級貫流式水輪機是由第一導葉區(qū)、第一轉(zhuǎn)輪區(qū)、第二導葉區(qū)、第二轉(zhuǎn)輪區(qū)、尾水管和旋轉(zhuǎn)軸六部分組成。它的額定水頭是Hr，額定轉(zhuǎn)速是nr。圖1為新型雙級貫流式水輪機的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 雙級貫流式水輪機結(jié)構(gòu)圖

一級導葉的排擠系數(shù)k11，入口角度α11，出口角度α12，葉片數(shù)為z1。一級轉(zhuǎn)輪排擠系數(shù)k12，入口角度β11，出口角度β12，葉片數(shù)為z2。二級導葉的排擠系數(shù)k21，入口角度α21，出口角度α22，葉片數(shù)為z3。二級轉(zhuǎn)輪排擠系數(shù)k22，入口角度β21，出口角度β22。葉片數(shù)為z4。

2 控制方程及數(shù)值模擬

2.1 控制方程

連續(xù)方程和動量方程:水流在通過水輪機時，可以視為不可壓縮流體，即在此過程中，水的密度保持不變。流體流動遵循基本的守恒定律，描述為控制方程:

湍流方程:在本研究中，選用標準k－ε模型［5］。k－ε模型是雙方程模型，在本數(shù)值模擬的計算中具有較好的收斂性和穩(wěn)定性。k－ε模型中，變量k和ε是兩個基本未知量。

式中，Gk為由于平均速度梯度引起的湍動能k的產(chǎn)生項，Gb為由于浮力引起的湍動能k的產(chǎn)生項，YM代表可壓湍流中脈動擴張的貢獻，C1ε，C2ε，C3ε是經(jīng)驗常數(shù)，σk和 σε分別是與湍動能k和耗散率ε對應的Prandtl數(shù)，Sk和Sε是用戶定義的源項。

2.2 數(shù)值模擬

在保證進口、出口和過流斷面面積不變，并且考慮水輪機的導葉和轉(zhuǎn)輪均有2 mm的間隙泄漏的前提下，選取6個工況進行數(shù)值模擬。工況一:轉(zhuǎn)輪半徑在原有的尺寸基礎上上加5 mm;工況二:原有尺寸;工況三:轉(zhuǎn)輪半徑在原有的尺寸基礎上減5 mm;工況四:轉(zhuǎn)輪半徑在原有的尺寸基礎上減10 mm;工況五:輪半徑在原有的尺寸基礎上減12 mm;工況六:轉(zhuǎn)輪半徑在原有的尺寸基礎上減15 mm。

對上述6個工況分別用Fluent的前處理器Gambit進行三維建模并劃分網(wǎng)格，之后導入Fluent中進行計算。進口面的邊界條件均設為PRESSURE_INLET，壓力P=ρgh。出口的邊界條件為PRESSURE_OUTLET。壁面采用無滑移邊界條件。

3 計算結(jié)果及分析

3.1 初選方案的確定

表1 不同工況的換轉(zhuǎn)效率

圖2為各個工況點的效率對比值:

有上圖可知，通過6個工況效率的對比，可以選定工況四和工況五為初選方案，以下再通過整個流道的流線、葉面的壓力等值線的分析，來最終確定最優(yōu)方案。

圖2 各個工況點的效率對比值

3.2 初選方案的流線對比

為了更好的看到效果，把水輪機從中間切開，只看一半的流線圖，圖3和圖4為兩個工況的流線圖。

由圖3、圖4可知:工況四時，一級導葉區(qū)域的流線比較均勻，一級轉(zhuǎn)輪的進口撞擊較小，一級轉(zhuǎn)輪的輪緣間隙流動比較雜亂，從葉片進口到出口有較明顯的橫向流動，二級導葉的進口水流方向有明顯的改變，且有漩渦，二級導葉和二級轉(zhuǎn)輪輪緣間隙處的流線比較雜亂;工況五與工況四相比，一級轉(zhuǎn)輪區(qū)域的橫向流動更為明顯，且一級轉(zhuǎn)輪的出水邊有很明顯的漩渦。

3.3 初選方案葉片壓力等值線的對比

從Tecplot中處理后的壓力圖知，工況四和工況五的一級導葉、一級轉(zhuǎn)輪和二級導葉的壓力等值線分布差不多，所以此處只列出二級轉(zhuǎn)輪的壓力分布圖進行對比。圖5，圖6為兩個初選方案的二級轉(zhuǎn)輪壓力等值線圖。

由圖5、圖6可圖知:工況四時，壓力從進水邊至出水邊降幅比較均勻，且在葉片的吸力面出現(xiàn)大量的低壓區(qū)，當壓力小于臨界壓力的時候?qū)a(chǎn)生空化空蝕;工況五的壓力面等值線圖和工況四的差不多，但是工況五的吸力面負壓區(qū)較多，發(fā)生空化的可能性較高。

4 總結(jié)

通過效率的對比可知，工況四比工況五的效率高一點;通過流線圖的對比，可知工況四的輪緣間隙的流動比較復雜，工況五的一級葉片出水后有明顯的漩渦，輪緣間隙的流動也比較復雜;通過壓力等值線的對比，可知工況五的二級葉片吸力面的負壓區(qū)比工況四多。由以上三個反面的分析，可以選定工況四為最終優(yōu)化方案，即在轉(zhuǎn)輪直徑在專利的基礎上減10 mm。

［1］陳滿華，鄭源，周大慶，等.新型環(huán)保小型水輪機節(jié)能開發(fā)研究［J］.能源研究與利用，2007（01）:16-18.

［2］鄭源，張麗敏，尹義武，等.冷卻塔中新型混流式水輪機設計［J］.排灌機械工程學報，2010，11（6）:484-487.

［3］劉大凱.水輪機［M］.北京:中國水利水電出版社，1997.

［4］趙道利，梁武科，萬天虎，等.燈泡貫流式水輪機輪緣間隙流動的數(shù)值模擬［J］.西安理工大學學報，2007，23（3）:246-250.

［5］李進良，李承曦，胡仁喜，等.精通 FLUENT6.3流場分析［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2010.46-47.