基于离心泵反转液力透平的轴向力研究

摘要

离心泵反转作液力透平可将其压力能转换为机械能，驱动泵、风机等工作机做功或者用于发电，它具有结构简单、成本低和性能可靠等优点。但泵反转作为液力透平轴向力直接影响到液力透平的安全运行，因此有必要对泵反转作液力透平的力特性做研究，另外，研究证明，泵反转作为液力透平时，在液力透平叶轮进口添加导叶时能够提高液力透平的效率及运行的稳定性，为此，本文设计了导叶，并制定了三种方案对液力透平的轴向力进行研究，其中方案A是在导水部件处不添加导叶，方案B是导叶与叶轮相对位置为0mm，方案C是导叶相对叶轮向后盖板方向偏移1mm。本文主要做的工作如下:
　　 1.液力透平全流道模拟。本文以比转速为84.5的单级单吸离心泵反转作液力透平为研究对象，建立三维模型、进行网格划分，然后通过CFD软件对液力透平的A、B、C三种方案进行内部流场全流道模拟。计算不同流量工况下液力透平的性能，找到最高效率点，然后分析最高效率点附近六个工况点的内部流场及其外特性、力特性。通过分析发现:相对于水泵设计流量Qd而言，文中制定的三种方案的最高效率点的流量比Qd大，方案A的最高效率点在流量1.1Qd处，方案B及方案C最高效率点后移，在流量的1.3Qd处。添加导叶（方案B）后，液力透平的效率提高，导叶与叶轮的位置发生变化（方案C）时，效率降低。因此安装导叶时，必须注意其与叶轮的相对位置。三种方案的压头和输出功率都随着流量的增加而增大;在各自最高效率点，方案B及方案C的压头比方案A的压头低，轴功率比方案A大。
　　 2.对液力透平模拟结果进行轴向力的分析。通过对液力透平的轴向力模拟结果进行分析发现:液力透平轴向力由前后盖板外表面产生的盖板力、扭曲叶片引起的轴向分力以及除去叶片后整个叶轮内表面受到水的压力所引起的轴向力组成。A、B、C三种方案的轴向力随着流量的增大而增大。添加导叶后轴向力在一定程度上减小;其减小原因是由于添加导叶后，盖板力减小（指向泵进口方向），内表面力增大（与泵进口方向相反），最终造成总的轴向力的减小;导叶与叶轮的相对位置发生改变时，轴向力增大。另外，本文对方案A的透平工况及泵工况的轴向力进行模拟，对其结果进行分析发现，在各自最高效率点，方案A透平工况的轴向力比泵工况的大。泵工况下，叶片力与内表面力很小，影响轴向力的主要是前后盖板不对称所产生的轴向力，但泵反转作液力透平时的内表面力却比较大。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 本课题的实际意义

1．2 国内外研究现状

1．3 问题的提出

1．4 本文的主要研究内容

1．5 本章小结

第2章 液力透平数值计算理论基础

2．1 CFD问题的解决过程

2．1．1 前处理

2．1．2 求解

2．1．3 后处理

2．2 控制方程组

2．2．1 连续性方程

2．2．2 动量守恒方程

2．2．3 能量守恒方程

2．3 湍流模型简介

2．3．1 标准κ-ε模型

2．3．2 RNG κ-ε模型

2．3．3 Realizable κ-ε模型

2．3．4 使用模型解决近壁区计算问题介绍

2．4 流动方程的离散方法

2．5 求解控制

2．6 本章小结

第3章 液力透平计算模型的建立与网格划分

3．1 研究方案的选取

3．2 计算区域的选择

3．3 计算模型的建立

3．3．1 导叶模型的建立

3．3．2 叶轮流道模型的建立

3．3．3 蜗壳模型的建立

3．3．4 液力透平全流道三维造型

3．4 网格划分

3．4．1 FLUENT前处理软件GAMBIT简介

3．4．2 网格类型

3．4．3 网格单元的分类

3．4．4 计算域网格划分

3．5 本章小结

第4章 液力透平全流道模拟

4．1 FLUENT数值模拟

4．1．1 启动FLUENT求解器

4．1．2 计算网格的读入

4．1．3 统一单位

4．1．4 合并耦合面

4．1．5 网格检查和光顺网格

4．1．6 物理模型设置

4．1．7 边界条件的确定

4．1．8 模型的求解与初始化

4．2 性能预测

4．2．1 计算公式

4．2．2 性能预测计算结果

4．3 本章小结

第5章 液力透平轴向力的研究

5．1 概述

5．2 轴向力的产生及其分析

5．3 模拟结果及分析

5．3．1 最高效率点各个过流部件流场分析

5．3．2 模拟结果

5．3．3 性能预测及结果分析

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