液力透平能量转换特性及叶片厚度对性能影响的研究

摘要

在资源日益紧缺的今天，如何做到高效合理地利用资源已成为人们关注的焦点。液力透平作为一种能量回收装置，在社会生产中逐渐得到一定的应用，但依然存在如效率低、稳定性差等诸多方面的问题。国内外相关的研究主要集中在泵反转作液力透平的外特性换算关系、力特性以及如何提高效率等方面。本文尝试利用数值方法针对液力透平叶轮内的能量转换特性进行了研究，并对液力透平叶轮内部能量发展变化的过程给出了初步理论的解释。同时，在分析了能量转换机理的基础上，针对叶片的厚度分布规律对液力透平性能的影响进行了研究，结合能量转换特性分析，得到了透平叶片厚度变化对性能影响的基本规律和定性解释。具体研究内容如下：
　　在稳态模式下，针对液力透平的能量转换特性进行了研究，提出了建立叶片中间流线监测点的方法，并通过提取监测点上的参数值来完成能量转换特性的分析。研究表明：流体介质对液力透平叶轮的主要做功区域分布在叶片中间段位置，在叶片中间流线至后盖板流线区域做功较多，进口段做功较少，而出口段几乎不做功。液力透平叶片载荷从进口至出口逐渐减小，在最优工况下，作用于叶片上的净载荷沿叶片径向位置呈一条上凸的抛物线形分布。随着流量的增加，液力透平叶轮内的压头逐渐增大，势压头系数越大，叶轮的效率越高；动压头系数越大，叶轮内的能量损失越大。在液力透平内流场中，小流量工况时，相对速度从叶片进口至出口先缓慢减小后增大，流量增大至最优工况以上时，相对速度从叶片进口至出口呈缓慢增大分布；叶片工作面上的相对速度要比背面的相对速度大。
　　针对液力透平叶片厚度变化规律对性能的影响进行了研究。以给定的三种不同叶片厚度分布规律设计了液力透平叶轮，并进行了稳态求解。研究表明：液力透平叶轮叶片厚度的变化对外特性有较大影响。在最大叶片厚度相同的情况下，在小流量至最优工况流量之间，叶片进、出口厚度相对较薄的液力透平的叶轮效率要高于叶片进、出口厚度较厚时的情况。在最优工况附近，具有翼型结构叶片厚度分布规律的液力透平有更为均匀的流场分布。液力透平叶片进、出口厚度较薄时，流体介质作用在叶片上的净载荷较大，从而能够实现更高效率的能量转换。在液力透平的力特性方面，叶片进、出口厚度较厚时的叶轮径向力比叶片进、出口厚度较薄时的叶轮径向力相对较小；径向力合力的方向与隔舌的夹角在大流量工况时为一个沿叶轮转向逆向的钝角，在小流量工况时为一沿叶轮转向正向的锐角。

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附表目录

第1章 绪论

1.1课题意义与背景

1.2国内外研究现状

1.3课题来源

1.4本文的主要贡献与组织结构安排

第2章 液力透平内部流动控制方程及求解

2.1液力透平基础理论

2.2流体动力学基本控制方程

2.3 CFD数值求解

2.4本章小结

第3章 液力透平能量转换特性研究

3.1计算模型和边界条件

3.2液力透平外特性

3.3叶片载荷分布规律及性能分析

3.4液力透平叶轮内部流动能量转换特性

3.5叶轮内流场中不同流线上相对速度的分布规律

3.6本章小结

第4章 液力透平叶片厚度变化规律对性能的影响

4.1计算模型和边界条件

4.2性能分析

4.3本章小结

总结和展望

一、结论

二、展望

参考文献

致谢

附录A 攻读硕士学位期间发表的学术论文