摘要：科技在不断的发展，社会在不断的进步，为研究一种新型冷却塔用水轮机结构的稳定性，通过双向流固耦合计算，分析水轮机桨叶在稳定运行时的应力变化及变形，揭示了固体叶轮应力分布与水体压力分布的规律。结果表明，该水轮机的转轮叶片应力分布均匀，且叶片的总变形主要发生在叶片出水边侧；叶片动应力主频、变形主频与叶片通过频率相吻合，可知叶轮结构的动静干涉引起的波动是造成叶片动应力波动及总变形变化的主要原因之一。
关键词：冷却塔；水轮机；流固耦合；应力；变形
引言
冷却塔循环水系统的富余能量往往白白浪费，如何将其“变废为宝”？由江苏河海嘉裕节能科技有限公司与河海大学组成的研发团队经过自主研发，将水的动能收集转化为机械能作为风机的动力源，成功研制出替代传统电机驱动风机的高效水轮机，为工业领域节能减排提供强力支撑。日前，该研究通过由中国石油和化工联合会组织的科技成果鉴定。以往冷却塔冷却时所用的风机均由电动机带动，所耗电能巨大；而冷却塔冷却的循环水出口具有一定压力，这部分压力都被浪费掉。本项目研制的系列高效水轮机，利用循环水系统的富余压力，推动水轮机转轮，带动风机旋转，达到降温目的，从而实现废能利用与降耗减排。
1新型水轮机的结构及参数
1.1整机结构和三维模型
某冷却塔内部代替电机驱动风机的水轮机设计转速为136r/min、流量2000m3/h、水头5m、比转速90.0346，桨叶29个，导叶14个，其具有结构特殊的轴向环状出水蜗壳。该超低比转速水轮机由导水结构、转轮结构、尾水管结构构成。其中，导水结构包含蜗壳引水管、蜗壳、导叶组成的座环；转轮结构包含桨叶组成的转轮、转轮轴、上冠、下盖等；尾水管结构包括尾水管和尾水连接管等。这种水轮机采用圆形和椭圆形断面下端开口的特型蜗壳，水流从蜗壳进口横向流入，通过蜗壳下端的圆环状出口轴向流入导水叶栅，经导水叶栅作用变成圆环状轴向螺旋出水，再进入与之匹配的转轮桨叶栅做功，最后乏水通过尾水管机构流出，进入冷却塔设置的布水管内。冷却塔风机直接安装在水轮机的旋转主轴上，通过转轮的旋转驱动风机旋转，实现冷却塔内空气的强制流动，完成热量的交换。
1.2导叶
采用单列环形导叶,使其既起导流作用又能支撑轴向荷载。目前常见的导叶有正曲度叶型、负曲度叶型和标准对称叶型三种类型,从上到下分别为标准负曲度、标准对称、标准正曲度导叶叶型。通过数值模型,分别计算三种叶型下的水轮机效率、水头损失等,确定最优叶型。
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1.3尾水管
尾水管将转轮中流出的水流收集起来送入下游河流,并回收利用转轮出口水流的剩余能量,大中型水电站通常选用弯肘型尾水管,以减少地面挖深,文中要求水轮机轴向尺寸小且尾水管出流便于从横向多个方位连接出水管道,因此采用直锥型尾水管.尾水管锥角通常为12°～16°,本研究选用13°,尾水管的长度则根据冷却塔的纵向空间大小选择.
1.4转轮部分的耦合分析
研究桨叶与周围水体之间非线性流固耦合问题是提高水轮机机组稳定性的关键，其主要表现为水压力作用在叶片结构的表面，构成了叶片的表面载荷边界，使之发生运动或变形；同时叶片的运动或位移变形使流体的流动发生改变，构成了新的流体运动边界。在水轮机叶轮和水体的流固耦合中，两种介质的相对运动速度较大，叶轮流道内部的流动是非常复杂的三维非定常紊流和层流，两种介质通过相互耦合，构成了一个整体。
2流固耦合结果与分析
2.1数值计算结果
利用CFD软件,通过对不同的导叶形式、转速及转轮叶片安放角θ进行比较分析,不断优化高比转速混流式节能水轮机性能.表1为优化过程中各个方案对比.可以看出,方案1在其他参数相同时,不同导叶形式水轮机性能不同,其中负曲度导叶的水轮机效率最高；方案2在其他参数条件相同时,通过改变水轮机的转速n从而改变单位转速n′,转速对水轮机流量Q和效率η有很大影响,单位转速为64.5r/min时效率最高；方案3不同叶片安放角对水轮机性能有一定影响,其中安放角为0°时效率最高.由以上方案对比可知,在选用标准负曲度导叶,叶片安放角为0°,转速为64.5r/min时,水轮机效率最高,确定为最优方案.
2.2数值模拟
在保证进口、出口和过流断面面积不变，并且考虑水轮机的导叶和转轮均有2mm的间隙泄漏的前提下，选取6个工况进行数值模拟。工况一：转轮半径在原有的尺寸基础上上加5mm；工况二：原有尺寸；工况三：转轮半径在原有的尺寸基础上减5mm；工况四：转轮半径在原有的尺寸基础上减10mm；工况五：轮半径在原有的尺寸基础上减12mm；工况六：转轮半径在原有的尺寸基础上减15mm。对上述6个工况分别用Fluent的前处理器Gambit进行三维建模并划分网格，之后导入Fluent中进行计算。进口面的边界条件均设为PRESSURE_INLET，压力P=ρgh。出口的边界条件为PRESSURE_OUTLET。壁面采用无滑移边界条件。
2.3动应力分析
整个叶轮叶片应力分布均匀，无明显结构突出点。桨叶应力较高处的大部分在与桨叶出水口处较近的位置，在桨叶的上端部分附近的应力值比较低，在桨叶出口的正面与叶片轴连接的内侧部分，应力值出现最大值，但无应力集中现象发生。
结语
ａ．新型冷型塔用水轮机的转轮叶片应力分布均匀，无应力集中现象发生，且叶片总变形主要发生在较薄的叶片出水边侧，与预期结果吻合，满足设计要求。ｂ．叶片动应力主频、变形主频与叶片通过频率相吻合，可见叶片动应力波动及总变形的变化主要由叶轮转动不平衡及水体与叶轮结构的动静干涉引起，受其他因素的影响微小。
参考文献
[1]费全昌．我国冷却塔应用现状及面临的挑战[J].电力勘测设计，２０１４（２）：２９－３３．
[2]刘佳佳，屈波，章志平，等．集中式循环冷却水系统能量分析[J].水电能源科学，２０１７，３５（９）：１６１－１６４．
[3]屈波，丁惠华，屈晶钰，等．直驱于大型水冷塔风机的超低比转速涡轮机：ＣＮ１０４２６５５４６Ａ[Ｐ].２０１５．
[4]裴吉．离心泵瞬态水力激振流固耦合机理及流动非定常强度研究[Ｄ].镇江：江苏大学，２０１３.
作者简介：王鹏举，男，河南省商丘市人，职称：学生，单位： 华北水利水电大学，专业：能源与动力工程（水动），研究方向：水轮机转轮。
论文作者:王鹏举
论文发表刊物:《知识-力量》2019年11月47期
论文发表时间:2019/10/29
标签：水轮机论文; 转轮论文; 叶片论文; 应力论文; 桨叶论文; 冷却塔论文; 水管论文; 《知识-力量》2019年11月47期论文;