熱能發生器葉型優化及性能

莫麗， 劉蕓宏， 馬箏

(1. 西南石油大學機電工程學院，四川 成都 610500； 2. 中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司重慶氣礦，重慶 401120)

隨著油氣開采技術的提高，氮氣作業因具有安全性高、密度小等特點被廣泛應用于鉆井、洗井、沖砂、天然氣輸送等環節[1-2].液氮泵車作為油田氮氣作業的關鍵設備，朝著大排量方向發展的趨勢明顯.余熱回收式液氮泵車上的液氮通過吸收柴油機尾氣、散熱器的部分余熱轉化為氮氣輸出作業[3].熱能發生器是控制液氮泵車余熱回收熱量穩定的關鍵設備，產生的力矩作為負載對柴油機加載，避免柴油機實際工作中輸出的熱量隨工作機負載變化，導致氮氣排量不穩定.針對現有余熱回收式液氮泵車氮氣排量較小的問題，對熱能發生器的葉片進行葉型優化和結構參數影響規律研究.通過改善熱能發生器的水力性能，增大力矩，一方面增大柴油機負載，另一方面產生更多的內能.

改造葉型是提高葉輪機械水力性能的重要方法.閆清東等[4]將雙循環圓液力緩速器的直葉片改為相切圓弧葉型彎葉片，并用數值模擬方法證明了基于相切圓弧葉型設計法建立的彎葉片產生的制動力矩比直葉片范圍更廣.程煬等[5]研究了葉片角度對采用肘形流道的軸流泵裝置特性的影響，發現不同的葉型對軸流泵裝置能量分布有重要影響.童軍杰等[6]分析了雙通道海流能發電裝置葉輪的直葉片、前向彎型葉片和后向彎型葉片在不同的轉動角度下對通過設備通道的海水流量和設備的葉輪旋轉速度等的影響，指出彎葉片的轉矩、轉速和通道流量均大于直葉片的.因此，為了提高余熱回收系統的效率，對其葉型進行改造具有重要意義.

NACA翼型是美國國家航空咨詢委員會提出的用于機翼形狀的設計[7-8]，后被應用于葉輪機械和螺旋槳葉片的設計中[9-10].王安麟等[11]將NACA翼型用于液力變矩器的葉片厚度設計，改變葉型后的液力變矩器效率及能容均提高.SOMOANO等[12]對直葉橫流式渦輪機(CFT)轉子進行研究，使用的CFT模型基于對稱的NACA0015輪廓，并確定翼弦與轉子的最佳直徑比為0.16.

文中將NACA翼型引入熱能發生器的葉型設計工作中，NACA翼型分為對稱翼型和有彎度翼型.將NACA0012，NACA2412，NACA4412，NACA6412等4種相對彎度不同的翼型作為熱能發生器的葉型，并與等厚直葉片的水力性能進行對比，然后研究其在不同的轉速、葉片傾角及葉片數匹配下性能變化規律.

1 熱能發生器工作原理

熱能發生器的結構如圖1所示.熱能發生器的轉子與柴油機的輸出軸相聯，填充在轉子工作腔內的液體被轉子帶動旋轉.轉子工作腔中的液體受到離心力的作用沿著葉片流向左、右定子，對定子葉片產生沖擊力，定子又對液體產生阻力，反作用轉子葉片產生阻力矩，實現對柴油機的加載，促使柴油機排出熱氣，吸收的機械功最終轉化為熱能.

圖1 熱能發生器的結構

柴油機的機械能轉化為熱能發生器液體動能，導致液體動量矩增大.動量矩方程是葉輪結構優化設計的重要依據.液流在轉子出入口的動量矩如圖2所示，根據單元流動理論，忽略葉輪出口處液流偏離的影響，即葉片出口處的液流角等于葉片的出口結構角.

圖2 液流在轉子葉片出入口的動量矩

根據動力矩定理，力矩計算公式為

M=ρQ(vuroRro-vuriRri)，

式中：M為轉子對腔體內液流作用的力矩；ρ為液體密度；Q為轉子液體循環流量；vuri，vuro分別為液體在轉子葉片進口和出口的絕對速度在軸面垂直方向上的圓周分速度；Rri，Rro分別為轉子、定子半徑.

2 計算模型

2.1 幾何模型及網格劃分

熱能發生器的結構幾何參數分別為定子外徑375 mm，定子內徑115 mm，轉子外徑306 mm，轉子內徑85 mm，轉子和定子葉片厚度12 mm，轉子葉片數14，定子葉片數12，葉片傾角α=45°，凹坑深度31 mm，轉子寬度75 mm，定子寬度38 mm，輸入口直徑12 mm，輸入口數12. 根據結構參數進行熱能發生器的幾何模型創建，不同葉型的定子和轉子幾何模型如圖3所示.

圖3 幾何模型

由于模型結構復雜，在建立計算域模型時簡化一些倒角、小溝槽等細小結構.熱能發生器為對稱結構，為節省計算時間，僅選擇模型的一半進行分析，采用四面體網格劃分模型，如圖4所示.

圖4 網格劃分模型

整體網格大小設置為2 mm，采用局部加密，最終結果y+值在70內，滿足SST模型的邊界網格要求[13].

2.2 邊界條件設置

邊界條件采用質量流量進口和靜壓出口，進口流量設為2.8 kg/s, 出口壓力設為0.05 MPa，額定轉速設為3 000 r/min.選擇SST切應力輸運湍流模型，該模型能有效捕捉到流場中的細微渦，適應壓力梯度變化，得到的計算結果更準確.

2.3 網格無關性驗證

為了縮短計算時間并保證計算結果的準確性，在進行數值計算前對網格進行無關性驗證.對等厚直葉片的熱能發生器進行不同網格大小劃分，全局網格設定為2 mm，并進行局部加密，得到4種不同網格數量的轉子力矩.當網格總數大于757 641時，轉子力矩變化微小，可認為選取的網格劃分具有合理性，滿足對計算時間和計算結果準確性的綜合要求.

3 計算結果及分析

3.1 不同葉型在不同轉速下的性能分析

熱能發生器吸收柴油機機械功后最終轉化成熱能輸出.湍動能耗散率ε表示在分子黏性作用下液體機械能轉化為熱能的能力，湍動能耗散率越大，內部運動越劇烈，液體機械能更為快速地轉化為熱能.

圖5為不同葉型的定子葉片壓力面在額定工況下的湍動能耗散率分布，可以看出：不同葉型葉片的湍動能耗散率均在進口附近具有最大值，向后擴散逐漸減??；等厚直葉片轉變為NACA翼型葉片時，湍動能耗散率更大，差值較小，分布更為均勻.

圖5 額定工況下湍動能耗散率分布

等厚直葉片轉變為NACA翼型葉片，一方面使液體活動更劇烈，有更多的液體機械能轉化為內能，熱能發生器吸收柴油機機械功的能力更強；另一方面，NACA翼型定子葉片受到的沖擊和摩擦更強，液流對轉子葉片產生阻力矩將增大，柴油機負載增大，釋放更多的熱量.

圖6為不同葉型的熱能發生器在不同轉速下的力矩變化曲線.

圖6 不同轉速的熱能發生器力矩變化曲線

由圖6可以看出：隨著轉速增大，熱能發生器產生的力矩呈拋物線增長，與理論函數關系一致；當熱能發生器由直葉片變為NACA翼型葉片時，由于出口流道面積增大，液體流動性能增強，流速加快，熱能發生器的力矩也隨之增大，但4種NACA翼型分別作為轉子和定子的葉片葉型時，力矩增加值并不相同；當熱能發生器的轉速為1 000 r/min時，NACA0012翼型的熱能發生器的力矩比等厚直葉片的熱能發生器的力矩增大22.6%，NACA6412翼型的熱能發生器的力矩比等厚直葉片的熱能發生器的力矩增大39.6%；當熱能發生器的轉速為3 000 r/min時，NACA0012翼型的熱能發生器的力矩比等厚直葉片的熱能發生器的力矩增大27.8%，NACA6412翼型的熱能發生器的力矩比等厚直葉片的熱能發生器的力矩增大39.2%.

在實際流動中，工作輪的葉片具有一定的厚度，葉片數量有限，導致液體在軸面內產生的速度不能均勻分布，加之受到入口處流動狀態的影響，葉片結構角與液流角可能不相同，液流的運動方向會偏離葉片骨線的切線方向.數值模擬結果表明NACA翼型有彎度葉片能有效抑制液流角的偏離，加快液體的循環流動速度，使得有彎度NACA翼型葉片的熱能發生器產生的力矩比對稱的NACA翼型葉片更大.

3.2 不同葉型在不同傾角下的性能分析

圖7為不同葉型的定子葉片壓力面在傾角α= 35°時的湍動能耗散率分布，可以看出，當傾角α=35°時，液體與葉片的接觸面積更大，NACA0012翼型定子葉片湍動能耗散率分布最均勻，內部液體流速最快，湍動能耗散量最大，產生更大的力矩.這表明在傾角較小時，選擇對稱翼型可使熱能發生器葉片的液流角偏離更小，液體流動速度加快.

圖7 葉片傾角為35°時湍動能耗散率分布

圖8為不同葉片傾角α時熱能發生器力矩變化曲線,可以看出：隨著傾角增大，等厚直葉片、對稱翼型NACA0012和彎度較小的NACA2412等3種葉片產生的力矩逐漸減小，力矩最大值在傾角α=35°處獲得；彎度較大的NACA4412翼型和NACA6412翼型2種葉片產生的力矩呈先增大后減小趨勢，力矩最大值在傾角α=45°處取得.

圖8 不同傾角時熱能發生器力矩曲線

綜上所述，當葉片傾角較小時，對稱翼型更有利于抑制液流角的偏離，液體流動速度更快，產生的力矩更大.

3.3 不同葉型在不同葉片數下的性能分析

圖9為不同葉型的定子葉片壓力面在定子葉片數Z=11時的湍動能耗散率分布.由圖可以看出，當定子葉片數為11時，NACA6412翼型的湍動能耗散量最大，直葉片的湍動能耗散值比圖5定子葉片數為12時分布更均勻，差值較小，耗散量更大，表明內部液體流動速度更快，能產生更大的力矩.

圖9 定子葉片數量為11時湍動能耗散率分布

圖10為不同葉片數組合的熱能發生器力矩變化曲線.

圖10 不同葉片數組合的熱能發生器力矩變化曲線

由圖10可以看出，熱能發生器在轉子葉片和定子葉片不同數量的組合時，力矩將發生改變(轉子葉片數均為14)；當熱能發生器的葉片葉型為等厚直葉片時，隨著定子葉片數量的增大，產生的力矩先增大后減小，定子葉片數為11片時力矩達到最大值；對于NACA翼型葉片，NACA6412翼型葉片的力矩隨著定子葉片數量的增大而增大，當定子葉片數為12片時，力矩達到最大值11 674.3 N·m；NACA0012，NACA2412和NACA4412這3種翼型葉片產生的力矩則先增大后減小，當定子葉片數為11時，NACA2412和NACA4412這2種翼型葉片產生的力矩達到最大值；當定子葉片數為10時，NACA0012翼型葉片產生的力矩達到最大值.這是因為葉片具有一定的厚度，會占據一定的工作腔空間，限制了液體的流動范圍.不同NACA翼型葉片占據的工作腔空間不同，出口處的液流偏離角不同，而出口處的偏離既會影響一個工作輪的能量傳遞，也會影響液流進入下一個工作輪入口處的液流狀態，故不同葉型的熱能發生器達到力矩最大值時，所需轉子葉片和定子葉片數量組合不同.

4 結 論

1) NACA翼型葉片的液流偏離比等厚直葉片更小，流動速度更大，產生的力矩更大，熱能發生器的效率提高.不同NACA翼型葉片的彎曲程度不同，液流偏離程度不同，流速不同，湍動能耗散率不同，產生的力矩不同，在葉片傾角45°時，有彎度的NACA6412翼型力矩比對稱型的NACA0012翼型力矩大.

2) 葉片傾角變化造成液體與葉片接觸面積變化，流動狀態改變，液流偏離程度也相應變化，引起力矩值改變.當葉片傾角從35°逐漸增大到65°時，NACA0012翼型和NACA2412翼型的葉片力矩逐漸減小，NACA4412翼型和NACA6412翼型的葉片力矩值先增大后減小.選擇對稱翼型作為熱能發生器翼型時，葉片應選擇比常規使用的45°更小的傾角，能獲得更多的能量.選擇有彎度翼型葉片或等厚直葉片時，45°為最佳葉片傾角.

3) 葉片數變化會造成工作腔容積發生變化，流動狀態改變，液流偏離程度也相應變化，引起力矩值改變.當轉子葉片數不變，定子葉片數逐漸增大時，不同葉型的力矩最大值對應的組合不同.對稱型翼型的NACA0012在定子葉片比轉子葉片少4片的情況下力矩最大.對于NACA2412和NACA4412翼型和等厚直葉片，定子葉片比轉子葉片少3片的情況下力矩最大.對于NACA6412，定子葉片比轉子葉片少2片的情況下力矩最大.