蒋雨煊，雷华宇

（1.华北水利水电大学，河南 郑州 450046；2.河北丰宁抽水蓄能有限公司，河北 承德 068350）

液力透平装置常被应用于矿业、电力和工业领域。现阶段，大多数液力透平装置均将反转泵或泵式作为流道[1]。但是近年来有学者提出，除了泵式流道，使用一种新型的超低比转速水轮机作为液力透平流道，能有效解决泵式流道在效率低、高效区窄方面的问题。研究表明，水轮机模式的液力透平装置拥有较好的流态，性能稳定[2-4]。

在对水轮机模式液力透平的研究中发现，级间导叶的损失占整个损失的30%～40%，级间导叶的性能好坏直接影响整个流道的性能，其重要性不容忽视。为提高液力透平装置的效率和性能，文章设计了一种新型空间导叶，该导叶结构上径向短、轴向长，正反导叶连为一体，正反导叶直接连接，将过渡端划分为独立流道，叶片在三维空间上是扭曲的，同时设有导流壳。基于k-e 湍流模型，采用非结构网格结构，运用CFD 技术对液力透平流道内部流场进行分析，并基于此对整个流道的流态进行分析。

1 实例运用

1.1 基本参数

为深入研究新型空间导叶，文章选取一种超低比转速混流式水轮机液力透平流道进行分析，其中转轮的基本参数Q=0.87m3/s，比转速为50m·KW，转速为1 500r/s，转轮进口直径D1=500mm，转轮出口直径D2=250mm，转轮进口角β1=122°。根据转轮的基本数据，计算新型空间导叶的基本数据如下：导叶进口直径D3=250mm，导叶出口直径D4=502mm，进口宽度和出口宽度b3=b4=50mm，中间隔板宽度b7=50mm，b5=75mm，叶片数为10。

1.2 实体建模

根据基本参数，画出所需型号的新型空间导叶的平面设计图，在平面设计图上确定三维空间中圆柱坐标的R、θ、Z值。在Creo 软件上输入圆柱坐标，生成空间点，再由点生线、线生面，将所生成的面加厚，根据阵列所需导叶叶片个数，建出新型空间导叶的实体模型，如图1 所示。

考虑到之后导入CFD 进行数值分析需要实际水体的模型，将建立好的水体模型与液力透平流道的其他部件组合出一个完整的两级液力透平流道，具体如图2 所示，为进一步CFD 数值模拟分析做准备。

图1 新型空间导叶实体图

图2 液力透平模型

1.3 CFD 数值计算

基于ICEM 对液力透平流道的各个部件进行网格划分，采用非结构网格，通过网格无关性分析，最终确定整个流道的网格数为551 503。

以标准k-e 湍流模型得到的稳态流场作为初流场。进口的边界条件设为速度进口，出口的边界调节设为无压出流，根据固壁处边界条件设为无滑移边界调节，耦合面采用“interface”，最终得到的模拟计算值如表1 所示。

表1 新型空间导叶水力性能结果

2 新型空间导叶的性能分析

2.1 新型空间导叶流态及流动损失

CFD 数值模拟结果显示，在整个流道中转轮和级间导叶的损失最大，直接影响整个液力透平的性能和效率。CFD-post 中导出二级转轮和新型空间导叶的速度矢量图，如图3、图4 所示。由此可见，新型空间导叶进水面导叶间出现了空白区，无液体流进，因为进水面导叶弯曲角θ过小，使液体在进入导叶后速度环量骤变，从而产生空白区；过渡区流线与外圆切线方向近似平行，表明单独的流道使过渡区内的各流线互不干扰，液体均匀过渡，进入下一级转轮。

图3 新型空间导叶内部流态

图4 二级转轮内部流态

转轮进口处出现小区域的空白，空白区的出现使液体局部偏流，是因为级间导叶出口角与所接转轮进口角不匹配。除首级转轮不受级间导叶影响外，其余级转轮的入流条件直接受级间导叶的影响。设计的级间导叶出口角过小，液体没有一个与转轮能够平行的速度环量进入转轮，导致间隙损失增大，所接转轮出现偏流。级间导叶与所接转轮的匹配程度对整体效率有重要影响。

2.2 新型空间导叶的不同工况性能

水轮机模式液力透与泵式流道相比，性能稳定，高效区更广，为探究采用新型空间导叶的水轮机模式液力透平高效范围，分别选取0.6Q、0.8Q、Q、1.2Q四种流量工况，通过计算分析，得到的结果如表2 所示。

表2 不同工况下的水力性能

结果表明，在四种不同流量工况下，整体的效率波动不大，相对平稳，最大仅相差6.7%，且除了0.6Q流量工况下的效率为68.2%，其他流量工况均在74%左右。

3 结论

1）新型空间导叶结合传统空间导叶和径向正反导叶的特点，叶片采用扭曲三角形法绘制，叶片为空间三维扭曲形状，正反导叶连为一体，均匀地将整个流道划分为光滑且互不干扰的单独流道，流态顺畅，整个流态较好，性能较优。

2）转轮和级间导叶的损失占整个流道损失的60%～70%，是影响整个流道性能的重要因素。除首级转轮外，其余级转轮的入流条件直接受级间导叶影响，为转轮设计相匹配的级间导叶对整个液力透平装置有至关重要的影响。