基于CFD仿真及水輪機理論研究液力透平最高效率點偏離設計工況的問題

王亞猛 王輝 賈凱凱 杜洋 陳金寶 張麗紅

摘? 要：隨著社會的發展，國家制定了可持續發展的方針，越來越注重節能減排的重要作用。液力透平逐漸在更多的工廠中使用，用以進行高余壓液體能量的回收。文章基于CFD仿真及水輪機原理對可能出現的液力透平高效區偏離設計工況的問題進行分析。分析表明，液力透平高效區偏離設計流量工況是因為座環出口水流角偏離了額定工況下轉輪需要的水流進口角。

關鍵詞：液力透平;CFD;水輪機原理;速度三角形

中圖分類號：TE96 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）10-0064-03

Abstract： With the development of society， the country has formulated the policy of sustainable development， and more and more attention has been paid to the important role of energy conservation and emission reduction. Hydraulic turbine is gradually used in more and more factories to recover high residual pressure liquid energy. Based on CFD simulation and turbine principle， this paper analyzes the possible deviation of high efficiency region of hydraulic turbine from design conditions. The analysis shows that the reason why the high efficiency zone of the turbine deviates from the design flow condition is that the flow angle at the outlet of the stay ring deviates from the flow inlet angle required by the runner under the rated condition.

Keywords： hydraulic turbine; CFD; turbine principle; speed triangle

前言

國家近些年提出要加強對工業特別是高耗能產業的升級改造，要建立以高科技產品為依靠的低能耗、低污染、可持續的高效發展方式。液力透平是在高余壓液體能量回收領域具有重要作用的能量回收設備[1-8]。液力透平的研究對于節能減排、可持續發展具有重要意義。目前對于液力透平的研究集中在現有的泵在反轉工況作為透平機械。大多數的研究主要是如何通過現有泵的參數估算出泵作透平時的性能，以及在現有泵的基礎上進行一些結構參數的優化[9-20]。基于水力原動機原理進行水輪機模式液力透平的設計研究比較少，對于液力透平最高效率偏離設計工況的研究還沒有。

本文以一套按水輪機原理設計的二級液力透平模型為研究載體，通過兩組具有不同水流出口角的蝸殼座環組合來研究液力透平最高效率點偏離設計工況的內在原因。二級液力透平模型如圖1所示。

1 轉輪主要參數

本文使用的轉輪是按水輪機轉輪的設計方法進行設計的，轉輪參數如表1所示。由表1可知當轉輪水流進口角達到14.56°時可實現無撞擊進口。

2 兩組蝸殼座環的比較

蝸殼1是按照常規水輪機蝸殼根據經驗公式，選取流速系數進行設計的，同時去掉活動導葉保留固定導葉，使得蝸殼出口到轉輪進口之間距離減小，導致座環出口的水流環量會小于轉輪需要的水流環量，即水流角較大。蝸殼2是根據蝸殼進口所需要的水流進口角進行反算設計的蝸殼，去掉導葉僅靠蝸殼提供水流環量。其蝸殼斷面相對于蝸殼1的蝸殼斷面面積更小，流量相同的情況下蝸殼內具有更高的平均水流速度，提供的水流速度環量也較高，座環出口水流角較小。兩種蝸殼座環方案尺寸對比如圖2所示。

3 CFD仿真計算

分別對兩組方案的二級透平裝置進行全流道仿真計算。網格劃分時采用ANSYS ICEM軟件對裝置各部件進行非結構化網格劃分。對模型進行網格無關性檢查，發現當總網格數達到500萬左右時，裝置整體水頭波動范圍小于0.5%，因此本次研究的模型總網格數選在500萬左右。采用Fluent16.0軟件進行計算，湍流模型選用標準的k-epsilon模型，蝸殼進口設置速度進口。額定工況下，方案1蝸殼進口水流速度為12.5m/s，方案2蝸殼進口水流速度為25.7m/s，兩組方案流量相同。出水室出口為無壓力出口。

分別對兩種方案在0.6倍額定流量至1.4倍額定流量共9種工況進行仿真計算。

4 仿真結果分析

轉輪水力損失如圖3所示、模型總水力效率如圖4所示、兩種方案蝸殼轉輪流線圖如圖5、圖6所示。

4.1 轉輪水力損失對比

轉輪水力損失如圖3所示。從圖中可以看出，蝸殼1方案的轉輪最低水力損失出現在1.1倍額定流量工況處，而蝸殼2方案的轉輪最低水力損失出現在0.9倍額定工況處。

4.2 模型水力效率分析

兩組方案的模型總水力效率如圖4所示。由圖可以看出，蝸殼1方案的最高效率點出現在1.1倍額定流量工況，蝸殼2方案的最高效率點出現在0.9倍額定工況。這是由于轉輪水力損失對整體效率影響的體現。

4.3 通過轉輪進口速度三角形進行分析