叶片数对超低比转速斜流式水轮机的影响

陈晓宇 吴迎新 冯 珂

(1.华北水利水电大学，河南 郑州 450045；2.安徽金寨抽水蓄能有限公司，安徽 金寨 237300)

作为一种应用于冷却塔节能降耗的新兴技术[1]，冷却塔专用水轮机逐渐兴起。其中吴迎新[2]以广泛使用的超低比转速混流式水轮机为模板，基于等价理念，设计出了超低比转速斜流式水轮机，它既满足了与风机转速相匹配的转速要求，也满足了专用水轮机超低比转速的工作特点[3]。与超低比转速混流式水轮机相比，既可解决其平面尺寸过大而影响冷却塔通风效果的问题，也可以解决其转轮焊接困难等问题。

水轮机转轮是水轮发电机组的心脏，负责水能和机械能的转换，且需要满足高效率、稳定性和可靠性的要求。其中转轮叶片的数目对超低比转速斜流式水轮机的水力性能和强度都有显著的影响。在叶片的长度、厚度不变的情况下，增加转轮叶片数会增加转轮的强度和硬度。但是叶片数过多会减小过水断面面积，致使转轮的单位流量减少；而当叶片数较少时，叶片在水流中不能充分做功，因此水力效率会相对较低[4]。鄢碧鹏等[5]通过改变轴流泵的叶片数，发现叶片数的变化对轴流泵的效率影响不大，但对汽蚀性能有明显影响，适当增加叶片数可以降低叶轮比转速，提高扬程，改善轴流泵汽蚀性能。王异凡[6]以青海铁吾水电站水轮机HL220-WJ-71为研究对象，通过减少叶片数分别对叶片表面压力、速度分布、速度矢量变化规律以及蜗壳、导水机构、尾水管等的水力性能、空化性能等进行了研究。王晨阳[7]在转轮叶片数对水轮机水力性能的影响研究上，发现转轮叶片数的改变对水轮机水力效率和转轮内部流态影响较大，选择合适的转轮叶片数有助于提高水轮机水力效率，改善水流在水轮机转轮的内部流态，增强水轮机的水力性能。杜洋[8]在试验的基础上对叶片数单因素对水轮机性能的影响进行研究，发现不同叶片数下，流道内漩涡和紊乱区域大小差别不大，这是叶片数变化引起效率变化较小的原因之一。吴迎新在原模型的基础上对转轮叶片数进行适当的增加和减少，设计出七种方案，在设计工况下简单地列表对比分析了其水轮机外特性，最终确定最佳叶片数为22。为进一步分析在变流量工况下改变叶片数对超低比转速斜流式水轮机水力性能的影响，本文以吴迎新设计出的超低比转速斜流式水轮机作为研究对象，采用数值计算的方法分析不同叶片数下水轮机的内、外特性。

1 水轮机的几何参数

本文选用超低比转速斜流式水轮机作为模型(见图1、表1)。

图1 超低比转速斜流式水轮机模型示意图

表1 超低比转速斜流式水轮机主要几何参数

2 数值计算

采用Creo软件对蜗壳、导叶、转轮、尾水管各部件进行建模(见图2)，利用ICEM软件采用非结构化网格中八叉树[9]的方法对各方案进行网格划分(见图3)。

图2 计算模型

图3 网格划分

为保证计算精度，对该模型进行网格无关性的研究。对超低比转速斜流式水轮机转轮叶片数为20的工况划分计算网格，在40万～140万网格数区间内选取十组不同网格规模的水轮机全流道模型分别进行数值计算。以效率作为无关性验证的指标，将计算结果进行对比分析。如图4所示，当网格数量达到106以上时，水轮机效率相对误差约为0.05%，效率的计算趋于稳定。因此，本文选用的网格规模为106。

图4 网格无关性的验证

采用Fluent16.0软件对各模型进行数值模拟。由于水轮机内部流动旋转强，三维随机脉动强，具有逆压梯度高、流线曲率高等特点，湍流模型采用标准k-ω模型[10]。蜗壳进口边界设为速度进口条件，尾水管出口边界设为压力出口条件，在超低比转速斜流式水轮机模型中，蜗壳与固定导叶之间交界面为静静交界面，固定导叶与转轮之间的交界面为动静交界面，转轮与尾水管之间的交界面为动静交界面，所有耦合面均设置为interface边界条件，以标准的壁面函数定义靠近壁面区域的流动。

3 结果分析

3.1 外特性分析

通过CFD数值计算后，得到不同叶片数下的模型在0.6Q0～1.2Q0的流量工况下的水力效率、水头和转轮损失曲线(见图5)。

图5 不同叶片数时的超低比转速斜流式水轮机的外特性曲线

从图5(a)中可看出，叶片数不同时，随着流量的变化，水轮机的效率曲线呈现出先升高后降低的趋势，且最高效率点均出现在0.8Q0(即400m3/h)处(具体数据见表2)。不同叶片数时，流量从最高效率点向小流量变化时效率下降的速度要比从最高效率点向大流量变化时的快。与叶片数相关的是，在小流量工况下，叶片数从14片增加到18片时，效率增大，与叶片数呈正相关；叶片数从20片增加到22片以及从24片增加到26片时，效率下降，与叶片数呈负相关。这主要是因为当叶片数从14片增加到18片时，叶片数的增加使得叶片与流体的接触面增多，增强了水轮机转轮的做功能力，同时由于叶片数的增多，流体动力负荷系数减小，流道内的二次流减弱[11]，使得二次流产生的水力损失减少，即转轮的水力损失减少，这一点从图5(c)中可看出。当叶片数从20片增加到22片以及从24片增加到26片时，叶片数的增多使得叶片表面与流体接触的面积增加，导致流体与叶片产生的摩擦损失增大，远大于二次流产生的转轮水力损失，因此，总水力损失增大，水轮机水力效率降低。

表2 不同叶片数时超低比转速斜流式水轮机最优工况下的性能参数

从图5(b)和图5(c)中可以看出，叶片数不同时，水轮机的流量比—水头曲线与流量比—转轮损失曲线均呈现出随流量的增大而逐渐上升的趋势。由于水轮机中转轮是核心部件，其水力损失占据最大[12]，从图5(c)中可以看出，叶片数从14片增加到18片时，转轮损失的变化要比叶片数从18片增加到26片时要大，尤其是叶片数为14片时，在大流量工况下，转轮损失上升的梯度要远大于其它叶片数下的上升梯度。这说明，当叶片数较少时，转轮流道过宽，流体在转轮中由于惯性作用势必会导致其在转轮中的流动紊乱，从而会造成局部的脱流现象或漩涡区域，使得转轮的水力损失增大，水轮机的水力效率下降。

3.2 内流场分析

基于以上对外特性的分析，为进一步对比叶片数的变化对超低比转速斜流式水轮机水力性能影响的差异，现对叶片数为18、22、26的超低比转速斜流式水轮机分别在最优工况(400m3/h)、设计工况(500m3/h)以及大流量工况(600m3/h)下对比分析其导叶与转轮的流线分布。

由图6可知，当流量增大时，无论是18叶片、22叶片、26叶片均出现了导叶出口处水流速度升高的现象，且在转轮叶片进口处有少量的断流现象。随着水轮机进口流量的增大，在导叶出口处水流与壁面撞击增强，造成局部流速升高，水力损失增大。在3个工况下，不同叶片数的超低比转速斜流式水轮机流道内的漩涡与紊乱区域大小差别不大，流线分布规律基本相同且与叶片的弯曲形状趋于一致。当叶片数较少时，转轮进口处的水流脱流现象较为明显，随着叶片数的增加，水轮机转轮内部的流线分布逐渐改善，但是由于叶片数的增多会减小过水断面面积，增强了水流之间的撞击，使得水力损失增加。因此，对于具体参数组合的超低比转速斜流式水轮机，存在最优的叶片数使得水轮机整体的水力性能最优。

图6 流线分布

4 结 论

不同流量工况下，不同叶片数的超低比转速斜流式水轮机的效率曲线呈现出先升高后降低的趋势，且最高效率点出现在400m3/h流量处。在同一流量工况下，不同叶片数模型所对应的水头相差很小；随着进口流量的增大，不同叶片数模型对应的转轮损失逐渐增大。

在对超低比转速斜流式水轮机内部流线分布的分析中发现，叶片数较少时，转轮内部流线部分紊乱，且存在少量脱流现象；随着叶片数的增加，转轮内部的流线分布逐渐改善，且与叶片弯曲形状趋于一致。