王亚猛 王辉 贾凯凯 杜洋 陈金宝 张丽红

摘  要：随着社会的发展，国家制定了可持续发展的方针，越来越注重节能减排的重要作用。液力透平逐渐在更多的工厂中使用，用以进行高余压液体能量的回收。文章基于CFD仿真及水轮机原理对可能出现的液力透平高效区偏离设计工况的问题进行分析。分析表明，液力透平高效区偏离设计流量工况是因为座环出口水流角偏离了额定工况下转轮需要的水流进口角。

关键词：液力透平;CFD;水輪机原理;速度三角形

中图分类号：TE96 文献标志码：A         文章编号：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

国家近些年提出要加强对工业特别是高耗能产业的升级改造，要建立以高科技产品为依靠的低能耗、低污染、可持续的高效发展方式。液力透平是在高余压液体能量回收领域具有重要作用的能量回收设备[1-8]。液力透平的研究对于节能减排、可持续发展具有重要意义。目前对于液力透平的研究集中在现有的泵在反转工况作为透平机械。大多数的研究主要是如何通过现有泵的参数估算出泵作透平时的性能，以及在现有泵的基础上进行一些结构参数的优化[9-20]。基于水力原动机原理进行水轮机模式液力透平的设计研究比较少，对于液力透平最高效率偏离设计工况的研究还没有。

本文以一套按水轮机原理设计的二级液力透平模型为研究载体，通过两组具有不同水流出口角的蜗壳座环组合来研究液力透平最高效率点偏离设计工况的内在原因。二级液力透平模型如图1所示。

1 转轮主要参数

本文使用的转轮是按水轮机转轮的设计方法进行设计的，转轮参数如表1所示。由表1可知当转轮水流进口角达到14.56°时可实现无撞击进口。

2 两组蜗壳座环的比较

蜗壳1是按照常规水轮机蜗壳根据经验公式，选取流速系数进行设计的，同时去掉活动导叶保留固定导叶，使得蜗壳出口到转轮进口之间距离减小，导致座环出口的水流环量会小于转轮需要的水流环量，即水流角较大。蜗壳2是根据蜗壳进口所需要的水流进口角进行反算设计的蜗壳，去掉导叶仅靠蜗壳提供水流环量。其蜗壳断面相对于蜗壳1的蜗壳断面面积更小，流量相同的情况下蜗壳内具有更高的平均水流速度，提供的水流速度环量也较高，座环出口水流角较小。两种蜗壳座环方案尺寸对比如图2所示。

3 CFD仿真计算

分别对两组方案的二级透平装置进行全流道仿真计算。网格划分时采用ANSYS ICEM软件对装置各部件进行非结构化网格划分。对模型进行网格无关性检查，发现当总网格数达到500万左右时，装置整体水头波动范围小于0.5%，因此本次研究的模型总网格数选在500万左右。采用Fluent16.0软件进行计算，湍流模型选用标准的k-epsilon模型，蜗壳进口设置速度进口。额定工况下，方案1蜗壳进口水流速度为12.5m/s，方案2蜗壳进口水流速度为25.7m/s，两组方案流量相同。出水室出口为无压力出口。

分别对两种方案在0.6倍额定流量至1.4倍额定流量共9种工况进行仿真计算。

4 仿真结果分析

转轮水力损失如图3所示、模型总水力效率如图4所示、两种方案蜗壳转轮流线图如图5、图6所示。

4.1 转轮水力损失对比

转轮水力损失如图3所示。从图中可以看出，蜗壳1方案的转轮最低水力损失出现在1.1倍额定流量工况处，而蜗壳2方案的转轮最低水力损失出现在0.9倍额定工况处。

4.2 模型水力效率分析

两组方案的模型总水力效率如图4所示。由图可以看出，蜗壳1方案的最高效率点出现在1.1倍额定流量工况，蜗壳2方案的最高效率点出现在0.9倍额定工况。这是由于转轮水力损失对整体效率影响的体现。

4.3 通过转轮进口速度三角形进行分析