蜗壳周向截面对液力透平外特性的影响

本节以比转速为46的单级单吸离心泵反转作透平为研究对象，其泵工况的性能参数为：n_s=46，q_V=24.75m³/h，H=51.06m，n=2900r/min；本节所选液力透平叶轮和蜗壳的主要几何参数见表5⁃9。

表5⁃9 液力透平的主要几何参数

采用三维造型软件Pro/E生成计算域模型，用ICEM对模型进行网格划分，由于叶片扭曲，且整个计算流道形状复杂，因此在网格划分过程中采用适用性较强的非结构化网格。如图5⁃27所示为不同蜗壳截面下的几何模型，如图5⁃28所示为模型的网格装配图。

图5⁃27 不同蜗壳截面下的几何模型

a）矩形截面模型 b）梯形截面模型 c）圆形截面模型

图5⁃28 几何模型网格

对模型的网格无关性进行研究，研究发现，当网格数量在100万以上时，效率的变化幅度在0.5%以内。本节用于数值计算的叶轮、蜗壳的网格数分别为744642、428937，网格总数1173579。

在ANSYS⁃FLUENT软件中进行数值计算时选取的工作介质为清水，采用时均不可压N⁃S方程描述内部流动；选用标准k⁃ε湍流模型，连续性方程、动量方程、湍动能方程和湍动能耗散方程均采用一阶迎风格式进行离散计算；压力和速度的耦合方式选用压力速度修正方法，即SIMPLEC算法，分析类型为稳态，计算收敛标准设置为10^-5。(www.xing528.com)

数值计算选用多重参考坐标系，叶轮区域为旋转坐标系，蜗壳区域为固定坐标系，边界条件如下：

1）进口采用速度进口边界条件；

2）出口采用压力出口边界条件，余压设置为500kPa，以供后续设备运行；

3）壁面条件：在叶片表面等固体壁面上，速度满足无滑移条件，对于近壁面附近流动区采用标准壁面函数法确定。

如图5⁃29所示为不同蜗壳截面下的性能曲线。其中图5⁃29a为效率⁃流量曲线，图5⁃29b为水头⁃流量曲线，图5⁃29c为功率⁃流量曲线。

图5⁃29 性能曲线

a）效率⁃流量曲线 b）水头⁃流量曲线 c）功率⁃流量曲线

由图5⁃29a可知，透平蜗壳截面形状是梯形时的效率最高，其次是矩形截面，具有圆形截面蜗壳的透平效率最低。由图5⁃29b可知，液力透平的水头随流量的增加而增加，具有圆形截面蜗壳透平的Q⁃H曲线最低。由图5⁃29c可知，液力透平的功率随流量的增加而增加，具有梯形截面蜗壳透平的Q⁃P曲线最高。根据外特性分析，从高效设计角度出发，透平蜗壳的截面形状应设计成梯形。