摘要： 為探究葉片安放角對(duì)微型軸流式水輪機(jī)水力性能的影響，以一比轉(zhuǎn)數(shù)為548的微型軸流式水輪機(jī)為研究對(duì)象，在不改變其他幾何參數(shù)的前提下，僅偏置轉(zhuǎn)輪葉片各翼型剖面，得到7個(gè)不同葉片安放角的轉(zhuǎn)輪；在試驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，通過(guò)全流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算，分析了改變?nèi)~片安放角對(duì)微型軸流式水輪機(jī)水力性能的影響.結(jié)果表明：隨著葉片安放角的減小，在相同流量下水輪機(jī)的水頭與出力均增大，高效率區(qū)域向小流量區(qū)域偏移，水輪機(jī)可高效運(yùn)轉(zhuǎn)的范圍有一定程度的增大；隨著葉片安放角的增大，水輪機(jī)的水頭與出力減小，高效率區(qū)域向大流量區(qū)域偏移.適當(dāng)減小葉片安放角的水輪機(jī)能在較大水頭（流量）變化范圍內(nèi)維持較好的性能.其中，安放角為-4°的水輪機(jī)最高效率達(dá)到82.13%，高效率區(qū)的范圍最大.該研究可為微型軸流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的設(shè)計(jì)提供一定參考.

關(guān)鍵詞： 微型軸流式水輪機(jī)；葉片安放角；數(shù)值計(jì)算；水力性能；高效率區(qū)

中圖分類(lèi)號(hào)： TK73 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A" 文章編號(hào)： 1674-8530（2024）04-0350-08

DOI：10.3969/j.issn.1674-8530.22.0209

楊孫圣，趙爾策，孔祥序.葉片安放角對(duì)微型軸流式水輪機(jī)性能的影響［J］.排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2024，42（4）：350-357.

YANG Sunsheng， ZHAO Erce， KONG Xiangxu. Influence of blade angles on performance of micro axial flow hydraulic turbine［J］.Journal of drainage and irrigation machinery engineering（JDIME），2024，42（4）：350-357.（in Chinese）

Influence of blade angles on performance of micro

axial flow hydraulic turbine

YANG Sunsheng1*， ZHAO Erce1， KONG Xiangxu2

（1. National Research Center of Pumps， Jiangsu University， Zhenjiang， Jiangsu 212013， China; 2. China Construction Machinery Co.， Ltd.， Beijing 100070， China）

Abstract： In order to investigate the influence of blade setting angle on the hydraulic performance of micro axial flow hydraulic turbine， a micro axial flow hydraulic turbine with a specific speed of 548 was chosen as the research object. Without changing other geometric parameters， seven runners with diffe-rent blade setting angles were obtained by offsetting the runner blade. Based on experimental verification， the influence of blade setting angle on the hydraulic performance of micro axial flow hydraulic turbine was analyzed using the computational fluid dynamics technology. The results show that when the blade angle decreases， the head and output of the turbine increase under the same flow rate while the high-efficiency area shifts to the small flow area， and the range of efficient operation of the hydraulic turbine increases to a certain extent. With the increase of the blade setting angle， the head and output of the hydraulic turbine decrease， and the high-efficiency area shifts to the large flow area. The hydraulic turbine with an appropriately reduced blade angle can maintain better performance over a wide range of head （flow rate） variations. The highest efficiency of the hydraulic turbine with a placement angle of -4° reaches 82.13%， with the largest range of high-efficiency regions. This study can provide some reference for the design of micro axial flow hydraulic turbine runners.

Key words： micro axial flow hydraulic turbine;blade setting angle;numerical calculation;hydraulic performance;high-efficiency zone

水電作為一種清潔能源，占世界電力供應(yīng)的20%左右［1-3］.進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，為應(yīng)對(duì)氣候變化和環(huán)境問(wèn)題，各國(guó)加大了對(duì)水力資源的開(kāi)發(fā)利用力度［4-5］.大型水電項(xiàng)目對(duì)環(huán)境的負(fù)荷較大［6］，大中型水電站選址對(duì)地理環(huán)境的要求較高，隨著水電資源開(kāi)發(fā)的深入推進(jìn)，適宜修建大中型水電站的地點(diǎn)減少.對(duì)于有一定水力資源又不適宜建設(shè)大型電站的地區(qū)，建設(shè)分布式微型水力發(fā)電系統(tǒng)成為一種利用低水頭段水力資源的有效方式.微型水力發(fā)電系統(tǒng)不需要建設(shè)大壩、廠房等水工建筑物，也不需要承擔(dān)大型電網(wǎng)的建設(shè)費(fèi)用，能夠有效解決當(dāng)?shù)鼐用裆a(chǎn)生活用電問(wèn)題.微型水力發(fā)電作為環(huán)境影響小、成本低且清潔的能源開(kāi)發(fā)方式，越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注.微型水輪機(jī)指出力小于100 kW的水輪機(jī)［7］，利用微型水力資源發(fā)電的方式主要有傳統(tǒng)水輪機(jī)和泵作透平.目前，針對(duì)中高水頭的微型水力資源開(kāi)發(fā)的研究成果較多，而微型低水頭段水資源因經(jīng)濟(jì)技術(shù)問(wèn)題，開(kāi)發(fā)利用較少.中國(guó)微型低水頭水資源蘊(yùn)藏豐富，化工生產(chǎn)、河流小溪與養(yǎng)殖漁場(chǎng)均散布著大量可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用的低水頭水力資源［8-9］.隨著分布式電網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，低水頭微型水力資源的開(kāi)發(fā)具有廣闊的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)利用價(jià)值.如何將這些低水頭段的微型水力資源高效且經(jīng)濟(jì)地利用起來(lái)，是一個(gè)亟須解決的難題.

軸流式水輪機(jī)是適用低水頭段水力發(fā)電的機(jī)型，其特點(diǎn)是流道開(kāi)敞，在低水頭大流量條件下，能夠獲得較大的出力［10］.傳統(tǒng)軸流式水輪機(jī)由蝸殼、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、控制器、轉(zhuǎn)輪等部件構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜、制造成本高、調(diào)節(jié)復(fù)雜、運(yùn)維成本高［11］.因此，將傳統(tǒng)軸流式水輪機(jī)縮小后應(yīng)用于微型水力發(fā)電并不可取.微型軸流定槳式水輪機(jī)擁有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)維方便、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于上述具有低水頭微型水力資源的地點(diǎn)，很好地滿(mǎn)足用戶(hù)的提水灌溉、電力、能源回收及節(jié)能減排需求，填補(bǔ)了市場(chǎng)空白.近年來(lái)，已有不少學(xué)者對(duì)不帶活動(dòng)導(dǎo)葉的微型軸流式水輪機(jī)進(jìn)行了大量研究.GHENAIET等［2］對(duì)葉片設(shè)置和軸向間距等方面的研究揭示了微型軸流式水輪機(jī)的最佳運(yùn)行參數(shù).SINGH等［12-13］以試驗(yàn)的方法研究了葉片高度和葉片數(shù)目等參數(shù)對(duì)低水頭軸流式水輪機(jī)的水力性能的影響.肖惠民［14］基于三維反問(wèn)題設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了一水力性能優(yōu)異的水輪機(jī).HOGHOOGHI等［15］、NISHI等［16］通過(guò)彎卷鐵皮制造固定導(dǎo)葉，并簡(jiǎn)化軸流式水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)，在擁有良好性能的前提下，大幅度降低了微型軸流式水輪機(jī)的單位制造成本，使微型軸流式水輪機(jī)高效地利用低水頭微型水資源成為可能.上述研究對(duì)象均為采用固定導(dǎo)葉的軸流定槳式水輪機(jī)，其只在特定工況下才有較好的水力性能，當(dāng)水輪機(jī)的工作水頭、流量偏離設(shè)計(jì)工況時(shí)，其性能急劇下降，甚至成為負(fù)載而不能正常工作.而自然界中的微型水資源具有流量、水頭隨季節(jié)變化波動(dòng)幅度大的特點(diǎn)，因而需重點(diǎn)考察微型軸流式水輪機(jī)在變工況時(shí)的性能.轉(zhuǎn)輪是水輪機(jī)的核心部件，軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)可同時(shí)改變?nèi)~片安放角度與活動(dòng)導(dǎo)葉出流角，實(shí)現(xiàn)雙調(diào)節(jié)，使水輪機(jī)在較寬的水頭、流量下高效運(yùn)行，高效區(qū)范圍廣.微型軸流式水輪機(jī)取消了活動(dòng)導(dǎo)葉和葉片調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，葉片與輪轂固定連接.由歐拉方程可知，水輪機(jī)能量轉(zhuǎn)換的核心是轉(zhuǎn)輪進(jìn)出口的速度環(huán)量，葉片安放角是影響轉(zhuǎn)輪進(jìn)出口速度環(huán)量的重要因素.因此，針對(duì)無(wú)活動(dòng)導(dǎo)葉的微型軸流式水輪機(jī)葉片安放角開(kāi)展研究，以擴(kuò)大其高效區(qū)范圍，對(duì)微型水力資源的開(kāi)發(fā)具有重要的意義.

文中以一比轉(zhuǎn)數(shù)為548的微型軸流式水輪機(jī)為研究對(duì)象，利用CFD技術(shù)，在不改變其他過(guò)流部件幾何參數(shù)的前提下，定性地研究不同安放角對(duì)水輪機(jī)的水頭、出力以及效率的影響，分析不同安放角時(shí)水輪機(jī)的內(nèi)部流場(chǎng)分布，以期為微型軸流式水輪機(jī)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供一定的參考.

1 理論分析

利用升力法設(shè)計(jì)軸流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片的實(shí)質(zhì)是設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)輪流道內(nèi)各圓柱面上翼型剖面的過(guò)程［17］.如圖1所示，在不改變各剖面翼型基本幾何參數(shù)的前提下，以原始設(shè)計(jì)的各翼型剖面為參考（安放角α為0°），將各翼型剖面繞翼型中心旋轉(zhuǎn)不同的角度，翼型正向旋轉(zhuǎn)時(shí)葉片安放角增大，負(fù)向旋轉(zhuǎn)時(shí)葉片安放角減小.

圖2為所設(shè)計(jì)的軸流式轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)、出口速度三角形.圖中β1，β2分別為進(jìn)、出口相對(duì)液流角；w1，w2分別為進(jìn)、出口相對(duì)速度.因轉(zhuǎn)輪進(jìn)口邊與導(dǎo)葉出口邊相近，近似認(rèn)為轉(zhuǎn)輪入口處的絕對(duì)速度v1的方向與固定導(dǎo)葉出口的水流方向一致.同一流量下，進(jìn)口圓周速度u1與軸向分速度vm1保持不變，即轉(zhuǎn)輪進(jìn)口處絕對(duì)速度的圓周分量vu1的值不變.可以看出，轉(zhuǎn)輪進(jìn)口處速度三角形主要由流出固定導(dǎo)葉或流進(jìn)轉(zhuǎn)輪時(shí)液體的流態(tài)決定.而葉片安放角是否與此時(shí)液體流動(dòng)相匹配，關(guān)系著水輪機(jī)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中的損失.轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)高效率區(qū)范圍寬的原因在于能夠通過(guò)調(diào)整葉片安放角匹配不同的流動(dòng)狀態(tài).而微型水輪機(jī)不具備這樣的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，使得固定的葉片安放角只能與較窄的工況范圍匹配良好，因此根據(jù)具體的運(yùn)行需求，確定合理的葉片安放角就顯得尤為重要.

忽略葉片安放角變化對(duì)進(jìn)入轉(zhuǎn)輪葉片前液流流態(tài)的影響，根據(jù)圓柱層無(wú)關(guān)性理論，近似認(rèn)為水流在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪內(nèi)各翼型剖面上的流動(dòng)遵循以下關(guān)系

vm1=vm2=QA，（1）

vu1=vm1tan α1，（2）

vu2=u-vm2cot β2，（3）

Hη=ug（vu1－vu2），（4）

式中：vm2為轉(zhuǎn)輪出口處的軸向速度，m/s；A為過(guò)流斷面面積，m2；α1為轉(zhuǎn)輪進(jìn)口處絕對(duì)液流角，（°）；vu2為轉(zhuǎn)輪出口處絕對(duì)速度的圓周分量，m/s；u為圓周速度，m/s；Hη為有效水頭，m;Q為水輪機(jī)的流量.

2 計(jì)算模型及數(shù)值計(jì)算

2.1 計(jì)算模型參數(shù)

圖3為研究水輪機(jī)的三維模型，相較于傳統(tǒng)軸流式水輪機(jī)，其主要由進(jìn)水彎管、固定導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪、密封部件和主軸幾部分組成，具有結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、生產(chǎn)制造成本低與便于安裝維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，故具備極大的開(kāi)發(fā)利用價(jià)值.

研究所用微型軸流式水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)數(shù)為548，主要設(shè)計(jì)參數(shù)：設(shè)計(jì)流量Qr=756 m3/h，設(shè)計(jì)水頭Hr=5 m，設(shè)計(jì)出力Pr=8 kW，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速nr=1 450 r/min.

水輪機(jī)主要幾何參數(shù)中，轉(zhuǎn)輪直徑D1=218 mm，轉(zhuǎn)輪輪轂直徑Dh=93.2 mm，葉頂間隙δ=0.2 mm，葉片數(shù)Z=3；導(dǎo)葉直徑D2=218 mm，導(dǎo)葉輪轂直徑dh=93.2 mm，導(dǎo)葉葉片數(shù)ZG=9.文中，以設(shè)計(jì)時(shí)的轉(zhuǎn)輪葉片安放角為參考，將轉(zhuǎn)輪葉片分別旋轉(zhuǎn)-8°，-6°，-4°，-2°，0°，2°，4°，得到7個(gè)不同安放角下的轉(zhuǎn)輪模型，以研究安放角對(duì)微型軸流式水輪機(jī)水力性能的影響.

2.2 三維造型及網(wǎng)格劃分

微型軸流式水輪機(jī)數(shù)值計(jì)算域由進(jìn)水彎管、導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪與尾水管4部分組成.各模型采用Creo軟件進(jìn)行三維造型.

水輪機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)輪高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)輪葉片輪緣處與轉(zhuǎn)輪室之間存在葉頂間隙.Turbo Grid是一款適用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械與處理微小間隙的網(wǎng)格劃分軟件，對(duì)導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪使用Turbo Grid劃分網(wǎng)格，對(duì)進(jìn)水彎管與尾水管采用ICEM CFD進(jìn)行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)葉部分的網(wǎng)格如圖4所示.

在靠近邊壁處的水流存在邊界層，第1層網(wǎng)格應(yīng)處于邊界層內(nèi)部方能準(zhǔn)確反映水輪機(jī)內(nèi)部邊界層的流動(dòng)，常用量綱為一的y+描述第1層網(wǎng)格高度，y+的平均值應(yīng)小于60［18］，文中導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪的y+如圖5所示.

圖6為水輪機(jī)不同計(jì)算域.

為保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，結(jié)果表明，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)目大于490萬(wàn)時(shí)，水頭變化幅度小于0.5%，此時(shí)網(wǎng)格數(shù)目對(duì)計(jì)算精度的影響可以忽略不計(jì).綜合考量計(jì)算資源與精度，研究中所有模型的網(wǎng)格數(shù)均在490萬(wàn)左右.

2.3 邊界條件設(shè)置

采用ANSYS CFX 19.2對(duì)微型軸流式水輪機(jī)進(jìn)行全流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算，采用k-ε模型［19-20］預(yù)測(cè)微型軸流式水輪機(jī)不同安放角時(shí)的水力性能.計(jì)算類(lèi)型為穩(wěn)態(tài)，工質(zhì)為25 ℃的清水，進(jìn)水彎管進(jìn)口設(shè)為1.013×105 Pa的總壓進(jìn)口，參考?jí)毫?.013×105 Pa.出口為質(zhì)量流量出口，通過(guò)改變出口的流量預(yù)測(cè)不同工況時(shí)水輪機(jī)的水頭、出力與效率，最終得到水輪機(jī)的特性曲線.轉(zhuǎn)輪部分設(shè)為旋轉(zhuǎn)域，其余部分設(shè)為靜止域.旋轉(zhuǎn)部件與靜止部件之間的交界面設(shè)置為Frozen rotor模式，其余交界面均設(shè)為靜-靜交界面，求解精度為10-5.

3 水力特性試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)介

為驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性，制造了葉片安放角為0°的樣機(jī)，并在閉式試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)該模型進(jìn)行試驗(yàn).該試驗(yàn)系統(tǒng)主要由測(cè)試對(duì)象、壓力管道、壓力罐、EJA壓力變送器（不確定度＜±0.1%）、OPTIFLU 2000F電磁流量計(jì)（不確定度＜±0.2%）、JCL1扭矩儀（不確定度＜±0.1%）、循環(huán)增壓泵及負(fù)載組成，試驗(yàn)系統(tǒng)的不確定度小于0.3%，試驗(yàn)臺(tái)如圖7所示.

試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)改變循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速調(diào)整水輪機(jī)進(jìn)口的水流壓力，測(cè)試不同水頭下水輪機(jī)的性能.通過(guò)調(diào)整負(fù)載的大小控制水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速，水輪機(jī)的水頭H、出力P和效率η由以下關(guān)系式得出，即

H=p1－p2γ，（5）

P=Mω，（6）

η=PγQH×100%，（7）

式中：p1為水輪機(jī)進(jìn)口總壓，Pa；p2為水輪機(jī)出口總壓，Pa；γ為水的重度，N/m3；M為主軸上的扭矩，N·m；ω為角速度，rad/s.

3.2 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

為檢驗(yàn)數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性，將試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算的結(jié)果列于圖8.表1為二者最高效率點(diǎn)時(shí)的水力特性對(duì)比，表中εL為相對(duì)偏差.可以得出：在最高效率點(diǎn)時(shí)（后文取葉片安放角為0°模型的最高效率點(diǎn)對(duì)應(yīng)流量756 m3/h為QBEP），數(shù)值計(jì)算的水頭和出力較試驗(yàn)值低8.32%和1.03%，數(shù)值計(jì)算的效率較試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果高8.02%.但數(shù)值計(jì)算所得到的特性曲線與試驗(yàn)測(cè)試的結(jié)果基本一致，變化趨勢(shì)大致相同，設(shè)計(jì)點(diǎn)的運(yùn)行參數(shù)基本一致.

總體而言，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)值吻合良好，表明數(shù)值計(jì)算對(duì)于該微型軸流式水輪機(jī)性能的預(yù)測(cè)合理且可靠，在此基礎(chǔ)上定性地研究葉片安放角對(duì)水輪機(jī)性能的影響具有一定的可信性.

4 結(jié)果分析

4.1 外特性分析

圖9為不同安放角下的水輪機(jī)性能曲線.根據(jù)圖9a可知：當(dāng)轉(zhuǎn)輪葉片的安放角發(fā)生改變時(shí)，水頭也隨之發(fā)生改變.具體表現(xiàn)為相同流量時(shí)，當(dāng)安放角為負(fù)時(shí)，水輪機(jī)的水頭增大，且安放角越小，水頭的增加幅度越大，水輪機(jī)的揚(yáng)程曲線整體呈向左上方移動(dòng)的趨勢(shì)；當(dāng)轉(zhuǎn)輪葉片安放角為正時(shí)，水輪機(jī)的水頭減小，且安放角越大，水頭減小幅度越大，水輪機(jī)的揚(yáng)程曲線整體呈向右下方移動(dòng)的趨勢(shì).過(guò)流量一定時(shí)，忽略葉片安放角對(duì)轉(zhuǎn)輪進(jìn)口速度三角形的影響，即近似認(rèn)為vu1不變.葉片安放角為負(fù)時(shí)，vu2減小，由式（3）與（4）可知，水輪機(jī)的水頭H增大.

由圖9b可知，當(dāng)安放角為負(fù)時(shí)，在同一流量下，水輪機(jī)的出力增大，且安放角越小，出力增加幅度越大，水輪機(jī)的功率曲線向左上方移動(dòng).當(dāng)葉片安放角為負(fù)時(shí)，來(lái)流與葉片之間的攻角增大，轉(zhuǎn)輪從液流中獲得的能量增加，因此水輪機(jī)的出力增加.

由圖9c可以看出，隨著安放角增大，水輪機(jī)的最高效率呈下降的趨勢(shì).安放角減小，效率曲線向小流量區(qū)域移動(dòng)；而安放角增大，效率曲線向大流量區(qū)域移動(dòng)，減小葉片安放角可顯著提升水輪機(jī)在小流量區(qū)域的效率.這是因?yàn)?，水力損失是反擊式水輪機(jī)中損失的主要來(lái)源而局部沖擊損失和渦流損失占水力損失的比重極大，研究局部損失對(duì)水輪機(jī)效率的影響很有必要.在某一流量下，轉(zhuǎn)輪進(jìn)口處水流的相對(duì)速度w1與葉片進(jìn)口骨線相切，此時(shí)水流對(duì)水輪機(jī)葉片的沖擊小，流體微團(tuán)平滑地進(jìn)入轉(zhuǎn)輪內(nèi)部而不會(huì)產(chǎn)生脫流與撞擊的現(xiàn)象，水輪機(jī)的效率較高，該工況稱(chēng)為無(wú)撞擊工況.當(dāng)流量減小時(shí)，軸向分速度vm1的數(shù)值減小，圓周速度的值不變，轉(zhuǎn)輪進(jìn)口處的絕對(duì)速度方向不變，因而進(jìn)口相對(duì)液流角減??；當(dāng)流量增大時(shí)，相對(duì)液流角增大.綜上所述，當(dāng)安放角減小時(shí)，在較小的流量下即可滿(mǎn)足無(wú)撞擊工況，在較小的流量下水輪機(jī)的效率較高，即水輪機(jī)的效率曲線左移，水輪機(jī)的高效率區(qū)向小流量工況偏移；當(dāng)安放角增大時(shí)，需較大的流量才能滿(mǎn)足無(wú)撞擊工況，在較大的流量下水輪機(jī)的效率較高，即水輪機(jī)的效率曲線向右移動(dòng)，水輪機(jī)的高效率區(qū)域向大流量工況偏移.表2列舉了不同葉片安放角時(shí)水輪機(jī)的最高效率ηmax.可以看出，一定范圍內(nèi)，減小安放角，會(huì)使水輪機(jī)的最高效率提升.

文中將效率大于75%的運(yùn)行區(qū)域定義為微型水輪機(jī)的高效率區(qū)域.由圖9中的特性曲線可得出不同葉片安放角時(shí)水輪機(jī)高效率區(qū)的具體范圍，其高效率區(qū)間列于表3.其中，安放角為-4°的水輪機(jī)處于高效率區(qū)的流量與水頭變化范圍最大.綜合考量水輪機(jī)的最高效率與高效率區(qū)流量、水頭與出力，葉片安放角為-4°的水輪機(jī)性能最佳.因此對(duì)于文中設(shè)計(jì)的軸流式水輪機(jī)，一定程度內(nèi)減小其葉片安放角可提高水輪機(jī)的性能.

由上述分析可知，改變?nèi)~片安放角會(huì)在一定程度上改變水輪機(jī)的水力特性.可通過(guò)減小葉片安放角的方法提高水輪機(jī)在某一流量下的工作水頭、出力，以及使高效率區(qū)間向小流量區(qū)域偏移；可通過(guò)增大安放角的方法降低水輪機(jī)在某一流量時(shí)的工作水頭、出力，以及使水輪機(jī)的高效率區(qū)間向大流量區(qū)域偏移.

4.2 內(nèi)部流場(chǎng)分析

4.2.1 流道內(nèi)壓力分布

軸流式水輪機(jī)屬于反擊式水輪機(jī)，利用水流中的動(dòng)能和壓能做功.流量不變時(shí)，通過(guò)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪前后液流的軸向速度變化不大，故流道中的壓力變化可反映通過(guò)水輪機(jī)前后液體能量的變化情況.圖10為不同葉片安放角下水輪機(jī)流道50%葉高處、流量為1.0QBEP時(shí)流道中的壓力云圖.

由圖10可以看出沿水流的流動(dòng)方向，流道內(nèi)的壓力總體呈下降的趨勢(shì)，表明液體通過(guò)轉(zhuǎn)輪后，壓力能不斷得以轉(zhuǎn)化.在水流進(jìn)入轉(zhuǎn)輪葉片之前，安放角不同的模型的壓力相差不大；而在液流進(jìn)入轉(zhuǎn)輪葉片之后，減小安放角的模型的壓力下降更加明顯，說(shuō)明減小安放角的水輪機(jī)利用了更多的壓力能，與外特性曲線變化規(guī)律一致.

4.2.2 湍動(dòng)能分布

湍動(dòng)能是湍流強(qiáng)度的重要指標(biāo)，其數(shù)值的大小和空間上的分布反映了脈動(dòng)擴(kuò)散和黏性耗散損失的大小和分布.湍動(dòng)能數(shù)值越大，液流的流動(dòng)越不穩(wěn)定，相對(duì)應(yīng)的流動(dòng)損失也就越大.理論分析結(jié)果表明，減小安放角的水輪機(jī)在小流量區(qū)域擁有更好的水力性能，為考察小流量工況（Q=0.7QBEP）轉(zhuǎn)輪內(nèi)流動(dòng)損失的大小，做出如圖11所示的不同安放角時(shí)轉(zhuǎn)輪葉片壓力面湍動(dòng)能k分布圖.由圖11a可知，安放角為-4°時(shí)，在轉(zhuǎn)輪葉片壓力面的進(jìn)口處，高強(qiáng)度湍動(dòng)能分布范圍小，說(shuō)明該模型在此處的損失較小.由圖11b所示，葉片安放角為4°時(shí)，在轉(zhuǎn)輪葉片壓力面的進(jìn)口處，高強(qiáng)度湍動(dòng)能分布范圍大，說(shuō)明該模型在此處的損失大.而在葉片出口處，不同安放角時(shí)湍動(dòng)能的分布范圍、強(qiáng)度相差不大.這一現(xiàn)象表明，安放角為-4°時(shí)有效地減小了在小流量工況時(shí)葉片進(jìn)口處的水力損失，改善了水輪機(jī)內(nèi)部的流動(dòng)情況，提高了水輪機(jī)的性能.

4.2.3 葉片載荷分布

在最高效率點(diǎn)時(shí)，不同安放角時(shí)轉(zhuǎn)輪葉片載荷分布如圖12所示，圖中L為相對(duì)流線長(zhǎng)度.由圖可知，2種安放角度下，葉片壓力面的載荷分布基本一致.吸力面?zhèn)仍贚為0～0.2時(shí)與壓力面?zhèn)仍贚為0.8～1.0時(shí)的壓強(qiáng)急劇下降，這是由于該處翼型形狀突變，出現(xiàn)邊界層分離［21］.L為0.2～0.8時(shí)葉片上的壓力變化均勻.當(dāng)安放角為-4°時(shí)，葉片壓力面與吸力面的壓強(qiáng)差明顯大于安放角度為4°時(shí)，這表明在該流量下，減小葉片安放角的水輪機(jī)做功能力更強(qiáng)，即水輪機(jī)的出力更大，與理論分析、數(shù)值計(jì)算所得的功率曲線變化趨勢(shì)一致.

5 結(jié) 論

通過(guò)試驗(yàn)及數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法研究了改變?nèi)~片安放角對(duì)微型軸流式水輪機(jī)的水力性能的影響，結(jié)果表明：

1） 對(duì)葉片安放角為0°的模型進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果的水力特性曲線變化趨勢(shì)一致，高效點(diǎn)的流量基本重合，各水力特性參數(shù)吻合良好，表明數(shù)值計(jì)算的方法能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)水輪機(jī)的水力性能，間接說(shuō)明其他模型數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性.

2） 數(shù)值計(jì)算的結(jié)果表明，減小安放角，水輪機(jī)的高效率區(qū)域向小流量工況偏移；增大安放角，水輪機(jī)高效率區(qū)域向大流量工況偏移.可通過(guò)減小安放角的方法提升水輪機(jī)在小流量區(qū)域的性能，通過(guò)增大安放角提升水輪機(jī)在大流量區(qū)域的性能.

3） 對(duì)本次研究對(duì)象而言，適當(dāng)減小葉片安放角的水輪機(jī)能在較大水頭（流量）范圍內(nèi)維持較好的性能.其中，安放角為-4°（減小4°）的水輪機(jī)最高效率達(dá)到82.13%，高效率區(qū)的范圍最大.

4） 轉(zhuǎn)輪葉片安放角對(duì)微型軸流定槳軸流式水輪機(jī)性能影響顯著，可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整葉片安放角，從而提高其在特定工況范圍內(nèi)的性能.

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（責(zé)任編輯 盛杰）

收稿日期： 2022-08-30； 修回日期： 2022-12-03； 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間： 2024-04-11

網(wǎng)絡(luò)出版地址： https：//link.cnki.net/urlid/32.1814.TH.20240408.1416.008

基金項(xiàng)目： 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11602097）；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目；四川省教育廳重大培育項(xiàng)目（18CZ0016）

第一作者簡(jiǎn)介： 楊孫圣（1985—），男，河南焦作人，副研究員，博士（通信作者，yangsunsheng@126.com），主要從事液力透平、微型水輪機(jī)研究.

第二作者簡(jiǎn)介： 趙爾策（1996—），男，四川巴中人，碩士研究生（ercezhao@163.com），主要從事流體機(jī)械及工程研究.