高层建筑供水系统用微型水轮机设计及性能研究.pdf

摘要

摘要

在高层建筑供水系统中，为最小化市政管网供水余压造成的泄漏及对供水设施造成

的损害，常使用减压阀来降低系统入口压力，然而这种水压控制方法会造成较大的能源

浪费。为提高建筑供水系统能源利用效率，本文开发了一种微型水轮机用于替代减压阀，

实现对管道内水压的合理控制并回收多余水能。基于对研究现状及不同类型水轮机工作

特性的分析，确定选用混流式水轮机。通过理论设计、数值模拟以及实验测试相结合的

方法，探究了微型混流式水轮机的应用可行性并系统地开展了水轮机结构设计与参数优

化研究，主要内容及结论如下：

（1）基于二维设计方法开展转轮结构设计，采用数值模拟方法优化叶片出口角、叶

片形状后进行样机制造与性能实验测试，并通过实验方法研究了转轮进口宽度对水轮机

性能的影响。样机实验结果表明，设计流量下微型混流式水轮机可实现对管道内水压的

有效控制并具有一定的能量转化效率；非设计工况下，水轮机水头随流量变化发生明显

波动，因此设计了一种控制方案以使得管道内水压处于理想水平。此外，转轮进口宽度

影响研究表明，通过所采用的二维设计方法可获得理想的转轮结构参数取值。

（2）采用等周向平均速度法进行初始蜗壳设计，通过数值模拟方法系统地研究了不

同蜗壳结构参数与设计方法对微型水轮机性能的影响。结果表明，采用圆形截面、等周

向平均速度法进行蜗壳设计有利于改善水轮机性能。在蜗壳出口宽度、进口高度及进口

直径中，出口宽度对水轮机效率影响显著、而进口高度会对水头产生明显影响，优化后

蜗壳出口宽度为6.25mm、进口高度为130mm、进口直径为30mm。此外，在隔舌形状

参数中，更大的倾斜角度会使得水头和输出功率更低，而更大的拉伸长度往往对应着更

高的水头、输出功率以及更低的效率，优化后隔舌倾斜角度为12°、拉伸长度为4mm。

（3）采用代理模型法进行尾水管形状优化，分析了不同设计变量与水力效率之间的

相关程度，比较了使用标准响应面函数、Kriging函数及径向基函数所建立代理模型的预

测精度，并通过序列二次规划算法进行寻优。相较于优化前，尾水管形状优化使得设计

流量下水轮机水头降低0.79m、水力效率提升1.75%。

（4）基于系统优化结果进行水轮机制造与性能实验测试。相较于初始样机，系统优

化使得设计流量下水轮机效率提升6.5%、输出功率相对提升50.4%，非设计流量下水轮

机做功能力也得到明显提升。此外，系统优化并未对设计流量下水轮机水头产生明显影

响，但使得非设计流量下水轮机水压控制能力有所改善。

关键词：供水系统；微型水轮机；优化设计；水压控制；微型水力发电

I

Abstract

Abstract

Inthewatersupplysystem(WSS)ofhigh-risebuildings,pressurereducingvalves(PRVs)

areoftenusedtoreducetheinletpressureofthesysteminordertominimizeleakageand

damagetothewatersupplyfacilities.However,thiswaterpressurecontrolmethodresultsina

largewasteofenergy.ToimprovetheenergyutilizationefficiencyoftheWSS,amicro

hydraulicturbinewasdevelopedtoreplacethePRVforreasonablecontrolofwaterpressurein

thepipelineandrecoveryofexcesshydroenergy.Basedontheanalysisofthe