冷却塔用超级比转速混流式水轮机设计_章红雨

２． １ 转轮设计理论
Baidu Nhomakorabea
１ 引言
冷却塔循环冷却水出口一般具有一定的富余 ， 能量 （ 过去这部分能量未得到充分利 ５～１ ６ ｍ） 用 。 目前在已有 的 水 轮 机 带 动 风 机 旋 转 方 案 中 ， 风机和冷却塔的 联 接 处 装 有 减 速 器 ， 实际应用中 本文去掉减速 减速器易损 坏 且 检 修 困 难 。 对 此 ， 器， 通过选择合适的参数与数值优化模拟 ， 开发研 制出一种超低比 转 速 水 轮 机 ， 使水轮机与风机实 转速同步 ， 从而带动风机旋转散热 。 算例 现直联 ， 分析表明 ， 该水轮 机 在 给 定 工 况 下 能 够 很 好 地 满 足水轮机代替电 机 驱 动 风 机 的 工 作 要 求 ， 并且开 发出的水力模型效率不 低 于 ８ 确保了冷却塔 ０％ ， 风机的正常运转 。
效率 ， 初步给定模型效率 为 ２％ ～３％ 时 效 率 值 为 ０． ８ ５。 ） 根据式 （ 算出的转轮直径 Ｄ１ 范围在 ０． ２ ７～ １． ０ｍ 之间 。 （ ） 导叶相对 高 度 ｂ ２ ０。 是 指 导 叶 高 度 与 水 轮 直接决定了转轮流道的 机转轮进口直径 的 比 值 ， 过流能力 ， 该参数的选取必须与比转速相适应 ， 综 合考虑水头 、 比转速等各参数的影响 ， 本文设计中 取导叶相对 高 度 ｂ 由此算出导叶高度 ０ ７ ６， ０ ＝０． ６ ４ｍｍ。 （ ） 上冠 下 环 流 线 。 水 轮 机 转 轮 上 冠 流 线 有 ３ 直线和曲线两种 ， 现多采用曲线型上冠 ， 原因在于 增大了出口附近过水断面的 上冠流线为曲线 时 ， 面积 ， 提高了转轮叶片的过流能力 。 低比转速混流式水轮机转轮下环为便于引导 一 般 为 曲 线 形。设 流体从径向 转 为 轴 向 的 流 动 ， 计时可适当增大转轮出口直径 Ｄ２ ， 增加转轮流道 从而加大出口处流量降低 出口处过水断面 面 积 ， 出口水流速度 ， 有利于改善汽蚀性能 。 设计出的水轮机流道见图 ２。
， ： 作者简介 ：章红雨 （ 女， 硕士研究生 ， 研究方向为流体机械及工程 ， １ ９ ９ ０ Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ ｍ ２ ０ １ ２ ７ ０ ９ ７ ９＠ｈ ｕ ｓ ｔ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ －） ， ： 通讯作者 ：孙建平 （ 男， 副 教 授， 研 究 方 向 为 水 力 机 械 稳 定 性 和 水 电 机 组 故 障 诊 断， １ ９ ５ ５ Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ ｓ ｕ ｎ ｉ ａ ｎ ｉ ｎ －） ｊ ｐ ｇ＠ ｍ ａ ｉ ｌ ． ｈ ｕ ｓ ｔ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ
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水 电 能 源 科 学 ２ ０ １ ５年
３ ／ 一般在 ０． 量值 ， １ ５～０． ３ ０ｍ ｓ 之间 ； η 为水 轮 机
式中 ， Ｈη Ｖ１ Ｖ２ ｈ为 水 轮 机 实 际 获 得 的 水 头； ｕ、 ｕ分 别为转轮进 、 出口绝对 速 度 Ｖ１ 、 Ｖ２ 在 圆 周 方 向 上 的分量 ； 出 口 半 径； ｒ ｒ ｇ 为重力 １、 ２ 分别 为 转 轮 进 、 加速度 。 ） 根据式 （ 假设水轮机为法向出口 ， 则 Ｖ２ １ ｒ ｕ ２＝ 因此需要较大的Ｖｕ ｒ ０， １ １ 。 由于Ｖ１ ｕ 受水轮机设计 ／ （ ） 的 限 制， 因此只能增大转轮 水头 （ Ｈ ≥Ｖ２ ２ ｇ） １ ｕ ） ， 的直径 Ｄ１ 。 根据速度三角形 （ 图１ 当ｕ １ 取较小 值、 叶 片 进 口 角 度 会 很 小。 对 于 Ｖ１ ｕ 取较大 值 时 ， 超低比转速混流 式 水 轮 机 ， 其转轮进口所需的环 若 导 叶 不 改 变 环 量， 环量Γ 全由蜗壳 量 Γ 很大 ， 形成时 ， 蜗壳尺寸将很小 ， 必然具有较小的蜗壳流 线δ 角 ， 即水流速度 Ｖ 与垂直于半径方向的速度 很 小， 从 而 导 致 流 动 损 失 大， Ｖｕ （ Ｖ 的圆 周 分 量） 造成蜗壳和固定导叶的设计困难 。
， 收稿日期 ： 修回日期 ： ２ ０ １ ４ ０ ８ ０ ９ ２ ０ １ ５ ０ １ ２ ５ － － － －
偏离最优单位转速 ， 效率低下 。 ２． ３ 超低比转速水轮机水力设计的特点和难点 （ ） 水轮机的转速等于风机转速（ 为２ １ ０ ０ ω） ／ 从而水轮 机 的 进 口 圆 周 速 度 ｕ ｍ ｉ ｎ， ｒ １ 较 小。 水 ［ ５］ 轮机基本方程 为 ： ／ Ｈη Ｖ１ ｒ ｒ ω ｇ ｈ ＝ （ ｕ １ －Ｖ２ ｕ ２） （ ） １
［］ ／ 于８ 单位转速 ｎ ０ｍ·ｋＷ， ０ｒ ｍ ｉ ｎ４ 。 经 １ １ 大于 ６ ／ 本 文 设计 中 单 位转 速ｎ 远 计算 ， ４． ８ｒ ｍ ｉ ｎ， １ １为 ４
２ 超低比转速混流式水轮机基本参 数的确定
超低比转速节能水轮机一般采用双击式立轴 １］ ２］ 水轮机 ［ 和混流式水轮机 ［ 两种形式 。 现有研究 表明 ， 双击式水轮机结构简单 ， 但出力小 、 效率低 ； 混流 式 水 轮 机 结 构 较 复 杂 、 出 力 大、 高效率区较 宽， 流态分布均匀 ， 但在远离设计工况区域运行效 过流部件流动状态不均匀 ， 因此本文选用混 果差 ， 流式水轮机进行分析 。
根据不同的流 动 假 设 ， 混流式水轮机转轮的 设计方法可分为 一 元 理 论 、 二元理论和三元理论 三种 ， 目前工程上 应 用 较 多 的 是 一 元 理 论 和 二 元 理论 ， 其中二元理论较一元理论严格 ， 设计出的转
３］ 。 因此 ， 应用广泛 ［ 本文根据假 轮实际效果较好 ，
） 的二元理论进行设计 。 定轴面有势流动 （ ω μ ＝０ ２． ２ 模型基本参数 某水 轮 机 常 年 剩 余 水 头 平 均 值 Ｈ 为 １ ４． ０ ３ 循环冷却水流量 Ｑ 为 ２ 水轮机转速 ｍ； ０ ０ ０ｍ ／ ｈ； ／ 冷却塔风机功率 Ｎ 为 ６ 根 ｎ 为２ ０ ０ｒ ｍ ｉ ｎ； ５ｋＷ （ 。 以往设计中 ， 风机和 据设计结果调整叶片角度 ） 冷却塔联接处装 有 减 速 器 ， 用以调节水轮机的转 速， 但工程实际中减速器易坏 。 此外 ， 减速器安装 检修复杂 ， 因 此 本 文 设 计 中将减速器 在机组内部 ， 去掉， 使水轮机与风机直联， 实现转速同步。 由此算 出水轮机比转速ｎ ５ ９ ． ５ｍ·ｋ Ｗ。 ｓ＝ 在常规发电混 流 式 水 轮 机 中 ， 最低比转速大
冷却塔用超级比转速混流式水轮机设计
章红雨 ， 张双全 ， 孙建平
（ ） 华中科技大学 能源与动力工程学院 ，湖北 武汉 ４ ３ ０ ０ ７ ４ 摘要 ：基于冷却塔用水轮机工作环境的特点 ， 对全流道 进 行 三 维 定 常 数 值 模 拟 ， 对比分析了超低比转速混流 式水轮机与常规发电用水轮机参数选择设计的不同 ， 并通 过 合 理 选 择 参 数 和 数 值 模 拟 优 化 ， 开发出一种高性 能的超低比转速混流式水轮机 。 算例分析表明 ， 该新型 水 轮 机 不 仅 节 能 ， 还可以达到带动风扇旋转散热的目 为其他行业合理利用富余能源提供了借鉴 。 的， 关键词 ：冷却塔 ；超低比转速 ；参数优化设计 ；数值模拟 中图分类号 ： Ｔ Ｋ ７ ３ 文献标志码 ：Ａ
图 ２ 转轮叶片流道二维模型 （ 单位 ： ｍｍ） Ｆ ｉ ． ２ Ｔ ｈ ｅ ｔ ｗ ｏ ｄ ｉ ｍ ｅ ｎ ｓ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｏ ｆ ｒ ｕ ｎ ｎ ｅ ｒ ｂ ｌ ａ ｄ ｅ － ｇ
２． ５ 固定导叶 （ ） 无固 定 导 叶 方 案 。 可 以 减 小 机 组 的 径 向 １ 尺寸 ， 但不能提供环量 ， 因此转轮进口所需的环量 这要求蜗壳中速度较大 ， 而 全部由蜗壳断面提供 ， 在蜗壳中速度较 大 时 产 生 的 水 力 损 失 较 大 ， 且无 固定导叶时不能 提 供 支 撑 力 和 轴 向 水 推 力 ， 因此 不采用此方案 。 （ ） 有固 定 导 叶 方 案 。 可 分 为 导 叶 改 变 环 量 ２ 和导叶不改 变 环 量 两 种 。 当 导 叶 改 变 环 量 时 ， 蜗 壳只需提供部分环量 ， 减小了蜗壳内部流速 ， 水力 损失小 ， 但同时要求导叶数目较多 ， 引起额外水力 导叶不改变环量时 ， 需要导叶数目较少 。 因 损失 ； 此， 本文方案设计 中 采 用 有 固 定 导 叶 且 固 定 导 叶 不改变环量的设计方法 。 ２． ６ 蜗壳 蜗壳断面有多 边 形 和 圆 形 两 种 形 式 ， 设计时 要根据水头和功 率 选 择 合 适 的 断 面 形 状 ， 本文设
计中采用包角为 ３ 的 完 全 蜗 壳， 蜗壳包角较一 ４ ５ ° 般常规发电式水 轮 机 大 很 多 ， 因蜗壳需提供大环 量， 综合考虑 各 项 因 素 金 属 蜗 壳 较 为 合 适 。 为 使 材料得到充分利用 ， 内部应力分布比较均匀 ， 且制 本文选择圆形蜗壳断面。 按照Ｖ 造工艺简单， Ｒ＝ ｋ ｕ 来设计圆形断面的尺寸 。 基本方法是通过转轮进 口断面的边 界 条 件 来 确 定 常 数 ｋ， 即先确定蜗壳 流线δ 角等于导叶的进出口角度 。 该条件下导叶 不改变环量 ， 仅 起 承 重 作 用。 设 计 出 的 蜗 壳 外 形 尺寸较小， 蜗壳内部水流速度较大， 水力损失较大。 ２． ７ 尾水管 根据机组的实际安装情况选择合适的尾水管 布置形式 ， 在冷却 塔 采 用 弯 肘 型 尾 水 管 不 好 布 置 时可采用其 他 形 式 的 尾 水 管 ， 如 直 锥 型。尾 水 管 的长度由机组纵向空间大小决定 。 本文设计中要 求尾水管出流便 于 与 布 水 管 路 相 连 ， 并且尾水管 因此采用直 的轴向高度受安 装 平 台 高 度 的 限 制 ， 中 间 过 渡 段 和 水 平 管 相 结 合 的 布 置 形 式。 锥 管、 。 直锥形尾 尾水管直锥段的锥角一般取 １ ２ ° ６ ° ～１ 水管出口水 流 分 布 不 均 匀 ， 并 带 有 环 量。当 尾 水 管中锥角θ 增 大 时 ， 扩散损失急剧增大而出口动 能损失下降 。 考虑到本设计中转轮出口圆周速度 。 不大 ， 故锥角取 １ ０ ° 设计出的尾水管三维模型见图 ３。
第３ ３卷 第４期 ２ ０ １ ５年４月 （ ） 文章编号 ： １ ０ ０ ０ ７ ７ ０ ９ ２ ０ １ ５ ０ ４ ０ １ ５ １ ０ ４ － － －
水 电 能 源 科 学 Ｗ ａ ｔ ｅ ｒ Ｒ ｅ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ ｓ ａ ｎ ｄ Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ
Ｖ ｏ ｌ ． ３ ３Ｎ ｏ ． ４ Ａ ｒ ． ２ ０ １ ５ ｐ
Ｐ （ ） ２ ／ ３ ２ ９． ８ １ Ｑ１ １Ｈ η 式中 ， 取６ Ｐ 为水轮机额定功率 ， ５ｋＷ； Ｑ１ １ 为最优 Ｄ１ ＝
槡
单位转 速 ｎ １ １ ０ 与 ５％ 功 率 限 制 线 交 点 处 的 单 位 流
第３ ３ 卷第 ４ 期
章红雨等 ： 冷却塔用超级比转速混流式水轮机设计
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图 １ 转轮进出口速度三角形 Ｆ ｉ ． １ Ｖ ｅ ｌ ｏ ｃ ｉ ｔ ｔ ｒ ｉ ａ ｎ ｌ ｅ ｏ ｆ ｉ ｍ ｏ ｒ ｔ ａ ｎ ｄ ｅ ｘ ｏ ｒ ｔ ｇ ｙ ｇ ｐ ｐ
（ ） 在水轮机进口角度很小的条件下 ， 当出口 ２ 角度为法向时 ， 水轮机叶片进出口角度相差很大 。 流道形状狭长 ， 叶片扭曲程度较大 。 （ ） 水轮 — 风 机 组 的 转 速 特 性 与 常 规 水 电 机 ３ 组有很大差异 。 常规水轮机的设计中一般只需研 但在冷却塔用水轮机 究水轮机自身的 工 作 特 性 ， 设计过程中 ， 还 需 考 虑 机 组 的 特 性。水 轮 机 消 耗 的水头由水轮 — 风 机 组 的 阻 力 决 定 ， 且其转速与 机组进口流量成正比 。 （ ） 考虑到水 轮 机 的 径 向 尺 寸 不 能 对 风 机 进 ４ 口处的流动状态 产 生 过 大 影 响 ， 设计中必须限制 蜗壳的最大平面尺寸 。 水轮机的轴向尺寸受导叶 风机高度的限制 ， 则 中心线距离安装平台的高度 、 尾水管的高度不能太大 。 综上所述 ， 超低比转速水轮机的参数设计不 能参考已有发电 用 水 轮 机 的 参 数 设 计 方 法 ， 只能 参考已有的相近比转速的优秀转轮 。 ２． ４ 转轮流道的设计 （ ） 水轮机转轮直径 。 １