导叶对液力透平性能及运行稳定性影响的研究

摘要

液力透平能够回收高压液体的能量，可将高压液体的能量转化为透平的旋转机械能，直接驱动泵、风机等工作机做功或者辅助电机做功，实现对高压液体能量的利用。在工业生产中可回收的高压液体的压力、流量千差万别，需要的液力透平种类也很多。液力透平主要形式之一是用泵反转作液力透平，包括单级和多级结构。泵反转作透平具有结构简单、成本低、产品种类众多等优点而应用广泛。但泵反转作液力透平也存在一些缺点。文章针对这种液力透平的效率不高、运行不稳定等方面存在的缺点与不足，对其进行了如下几个方面的研究并得到相关结论:
　　 文章选用比转数为41、55.7和84.5的三种中低比转数单级单吸离心泵反转作为液力透平为对象，在透平蜗壳和叶轮之间添加固定导叶，并对其进行专门的水力设计，根据文章提出的方法计算得到了导叶的进口角α(a)、出口角α(o)，导叶高度bo等基本参数，并对蜗壳进行有利于透平运行的水力改进。设定了导叶数目不同的3×4=12种方案（文中的Aa～Cd方案）进行分类对比分析。通过FLUENT软件数值计算发现:添加导叶的液力透平的水力效率均明显提升，表明文章中提出的方法是正确的，其设计的导叶是合理有效的。
　　 为研究导叶数的不同对液力透平性能的影响，文章对每个液力透平设计了三种导叶数，通过数值分析发现:在文章所设计的导叶数内，随导叶数目的增加，最优效率点和其他工况点的效率都有提高。以选用的比转数为84.5的泵作透平为例，导叶数为11片的Cd方案比为9片的Cb方案最优工况点效率高1.2％。
　　 通过对比有无导叶的液力透平的内部流场，发现:无论在最优工况还是偏离最优工况的流量下导水部件后的叶轮流道中，压力、速度矢量等分布均较无导叶液力透平有较大改善，内部区域叶轮各流道内部压力分布沿流道梯度变化均匀，较为对称;叶轮流道内漩漩涡数量减少、局部部位涡消失，漩涡的尺寸明显变小，回流、脱流和横向流动等二次流现象也明显减弱。
　　 对有导叶的液力透平，导叶的进、出口环量（或速度矩），即透平蜗壳出口、叶轮进口的环量和无导叶时进行比较分析。虽然蜗壳能形成环量，但仅仅依靠蜗壳的导流很难实现进入叶轮前的液流绝对速度沿圆周方向均匀分布，而加导叶后，使进入叶轮的液流具有均匀的环量。文章对有无导叶时液力透平的叶轮在不同流量下所受径向力进行对比发现:添加导叶的透平径向力明显减小，这说明有导叶的液力透平运行的稳定性提高。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 流体能量回收设备概述

1．2．2 泵反转作液力透平

1．2．3 基于可逆式水泵-水轮机的液力透平

1．2．4 PAT应用的一些问题

1．3 课题研究内容

第2章 液力透平引水部件的水力设计

2．1 导水部件设计的理论基础

2．1．1 导水部件处的流动情况

2．1．2 导叶翼型对性能的影响

2．2 导叶的绘型设计

2．2．1 计算导叶出口角

2．2．2 计算导叶进口角

2．2．3 绘制导叶翼型骨线

2．2．4 绘制导叶翼型

2．3 蜗壳的改进设计

2．3．1 圆形断面蜗壳的水力设计

2．4 液力透平的三维造型

2．4．1 蜗壳的三维造型

2．4．2 导水机构的三维造型

2．4．3 叶轮的三维造型

2．4．4 透平全流道的三维造型

2．5 本章小结

第3章 网格划分及数值计算的理论基础

3．1 液力透平的网格划分

3．1．1 网格的类型

3．1．2 网格单元的分类

3．1．3 网格划分过程

3．1．4 网格无关性检查

3．2 流动基本控制方程

3．3 湍流模型

3．4 常用的离散化方法

3．5 本章小结

第4章 液力透平的内部流场模拟及性能预测

4．1 数值模拟试验

4．1．1 数值试验方案

4．1．2 边界条件的确定

4．1．3 计算设置及收敛性的判定

4．2 试验结果与分析

4．2．1 试验结果

4．2．2 外特性预测及结果分析

4．3 本章小结

第5章 液力透平内部流动及运行稳定性分析

5．1 导叶对液力透平内部流动性能的影响

5．1．1 导叶对液力透平速度分布特性的影响

5．1．2 导叶对液力透平压力分布特性的影响

5．2 导叶对液力透平运行稳定性能的影响

5．2．1 蜗壳出口速度矩

5．2．2 叶轮进口速度矩

5．3 导叶对液力透平运行力特性的影响

5．3．1 径向力

5．4 本章小结

结论与展望

1 结论

2 存在的不足与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读硕士学位期间发表的论文