在中國，進入冷卻塔的冷卻水仍保持39,240至147,150 Pa的殘余壓力，為了利用這種浪費的能源，建議利用剩余的水能驅動安裝在冷卻塔中的一種水輪機冷卻內部平臺。并通過聯(lián)軸器使風機轉動。然而，由于在冷卻塔的運行條件下效率低下或與風扇速度不匹配，傳統(tǒng)的水輪機不適合這項工作。根據(jù)冷卻塔水輪機工作環(huán)境的要求，本文設計了一種新型水輪機。超低比轉速（ns specific = ultra50 m.kW）冷卻塔渦輪機取代了冷卻塔中的風扇電機。 .首先，通過理論分析和計算流體動力學仿真，對轉輪葉片的形狀、位置和數(shù)量進行了設計和優(yōu)化。此外，采用金屬橢圓蝸殼和單排環(huán)形導葉，減小了結構尺寸。最后，通過物理模型試驗，證明新型冷卻塔渦輪機的優(yōu)化方案具有88%的高效率和良好的運行穩(wěn)定性，能夠實現(xiàn)冷卻塔收集可再生能源的目標。

簡介

冷卻塔是用于將循環(huán)冷卻水系統(tǒng)吸收的余熱排放到大氣中的除熱裝置。 1,2 水與空氣接觸以散發(fā)工業(yè)廢熱。目前，冷卻塔中使用的大多數(shù)風扇都是由消耗大量電力的電動機驅動的。但在我國，由于設計余量過大，冷卻水系統(tǒng)循環(huán)水仍保持39240～147150Pa的超壓，經(jīng)常浪費在節(jié)流閥中。為了利用浪費的能源，建議利用多余的水能驅動安裝在冷卻塔內平臺的一種水輪機，通過其聯(lián)軸器使風機旋轉，如圖1所示。然而，由于冷卻塔的運行條件和風扇參數(shù)，傳統(tǒng)的水輪機不適合這項工作。

水輪機回收冷卻塔的廢能，他的試驗結果表明，冷卻塔有限的安裝空間迫使廣東冷卻塔的水輪機轉輪完全浸沒在水中，從而大大降低其效率。 Chen4改進了廣東冷卻塔水輪機用于冷卻塔，并推薦了另一種水輪機混流式水輪機。冷卻塔渦輪雖然通常效率高，但其高轉速與風機轉速不匹配，需要相應的減速機，使得整個裝置結構復雜，體積大。已經(jīng)進行了許多研究 [5-8] 來提高冷卻塔中使用的混流式水輪機的水力性能，這些水輪機的效率不夠高。因此，應設計一種適應冷卻塔工況的新型水輪機。隨著計算機技術和計算流體動力學（CFD）的發(fā)展，越來越多的研究人員使用CFD方法來分析流體機械的特性，例如水泵和水輪機。 9-11 - 通過CFD模擬和實驗方法研究和開發(fā)低比風速。具有體積小、效率高、成本低的特點，能很好地滿足冷卻塔的需要。

基本參數(shù)設計

比速

In this In該研究為給定的冷卻塔設計了一種新的冷卻塔渦輪機，其排放率為 0.833 m3/s，剩余水頭為 13 m。安裝在該冷卻塔中的風機額定轉速為 136 r/min，電機功率為 91 kW。

比轉速ns是按類型和比例對水輪機進行分類的重要參數(shù)。

這里，n、P、H分別為水輪機的轉速、輸出功率和水頭。另外，單位轉速n11是另一個重要參數(shù)，由式（2）計算

（2）

對于給定的冷卻塔，將上述參數(shù)代入式（ 1)、新型冷卻塔渦輪的ns等于52.6 μm kW，與發(fā)電廠使用的傳統(tǒng)冷卻塔渦輪相比非常低。根據(jù)冷卻塔水輪機尺寸與比轉速12的關系以及冷卻塔內有限的安裝空間，確定了這種新型冷卻塔水輪機的基本參數(shù)，列于表1。

< p>值得一提的是，為了減小新型冷卻塔渦輪的水平尺寸，單排導葉取代了常規(guī)的雙排導葉，以提供導水和負載支持。同樣，螺旋殼部分的形狀為橢圓形，使用錐角為13°的圓錐形引流管。

1：螺旋表殼； 2：豎環(huán)； 3：導葉； 4：轉輪； 5：軸承座； 6：轉軸； 7：引流管； 8：起落架

CFD模擬結果

數(shù)值模擬方法

利用Fluent軟件對冷卻塔渦輪進行三維湍流穩(wěn)態(tài)模擬。 13 對于該渦輪機的流體流動分析，穩(wěn)定不可壓縮流動的連續(xù)性方程和雷諾平均方程被用于以下形式。

其中速度、壓力、運動粘度和密度是粘性應力張量的分量，也稱為雷諾應力張量。湍流對流場的影響是通過雷諾應力得到的，雷諾應力是根據(jù)本文采用的湍流模型計算得到的，具有較好的數(shù)值收斂性和魯棒性。 15 控制方程采用有限體積法離散化，二是擴散項二階中心差分格式，二階逆風格式對流項，壓力鏈接方程-一致半隱式方法(SIMPLEC) 用于速度壓力。耦合解決方案。邊界條件設置如下： 對于入口邊界條件，給出了相對總壓力、湍流動能及其擴散速率。對于出口邊界條件，指定了相對靜壓、湍流動能及其擴散速率。對壁應用防滑邊界條件；標準墻函數(shù)應用于墻附近的區(qū)域。 16

考慮到網(wǎng)格敏感性和PC機的計算能力，采用Gambit網(wǎng)格劃分軟件選取并構建非結構化四面體單元。 17 還檢查了網(wǎng)格獨立性，如表 2 所示。網(wǎng)格超過 259 萬億，結果或多或少獨立于方案 4 和方案 5 的網(wǎng)格細化。

渦輪通道也可以通過以下公式計算

這里，(Pinlet-Pout)是通道進出口的總壓差，ρ和g分別是水的密度和由于加速度到重力。從表4可以看出，水力損失主要存在于導葉區(qū)，達到10.5%，即1.41 μm。

描述初始方案的內部流場，揭示超低比轉速渦輪的特性。從圖 3可以看出，靜壓從葉片受壓側前緣向后緣逐漸減小，且下降明顯，在葉片吸力側前緣附近出現(xiàn)局部低壓，這是造成通過導板之間產(chǎn)生的高速。葉片和葉輪葉片，如圖4所示。從圖4還可以看出，葉輪入口區(qū)域的速度普遍較高，最大速度超過17μm/s，這表明動能是作用于其上的能量的主要形式刀片。轉輪葉片。從圖 5 可以得出結論，由于葉片到葉片通道中相對速度的流線分布平滑，流道中的流動模式是均勻的。

冷卻塔水輪機改進方案數(shù)值結果

雖然初始方案的水輪機功率能夠滿足風機的功率要求，但明顯的缺點是在導葉面積 發(fā)動機排量過大，液壓損失過大。為此，如圖6和圖7所示，通過修改導葉和葉輪葉片的形狀進行了改進設計。改進方面，將導葉型面的一側調整為細長，同時增加了轉輪葉片的翼型彎曲角度。

排水管入口處的圓周速度在圖10中較為明顯，但由于轉輪葉片翼型彎曲角度的增大，在圖11中幾乎消失，即也有利于降低低比轉速水輪機的水力損失。

實驗測量

根據(jù)改進方案，制造了一臺超低比轉速冷卻塔水輪機。實驗在水力機械試驗臺上進行，水頭在 5 至 16.5 μm 之間以 136 r/min 的恒定速度變化（圖 12）。測試結果表明，最大效率達到88%，H=11.6 m，Q=0.794 m3/s，比CFD結果低0.5%。當H = 12.66 m和Q = 0.848 m3/s時，水輪機可產(chǎn)生91 kW的功率。

表明在n11結果=39和43r/min之間CFD結果的效率與試驗結果吻合較好，試驗結果的最佳效率點右移n11值較大，是因為經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)渦輪通道的表面粗糙度偏大。

結論

通過CFD模擬和實驗測試，研制出一種超低比轉速的冷卻塔渦輪機，可以完全替代電機驅動風機，從而實現(xiàn)高效率，從而達到冷卻塔利用可再生能源的目的。大部分水力損失發(fā)生在導葉區(qū)域。因此，應進一步優(yōu)化導葉，提高水輪機的性能。導葉區(qū)域和細長葉輪葉片中的高流速導致通道表面粗糙度成為影響渦輪效率的關鍵因素之一。

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