基于离心泵的多级液力透平的性能预测与数值模拟

摘要

液力透平能量回收装置把流体压力能转化成机械能或电能，普通离心泵反转做透平使用来回收余能是一项工业过程节能技术。离心泵反转运行在实际应用中存在性能参数预测不准确，选型困难，效率较低等问题，很多学者对蜗壳式单级离心泵的反转工况运行做过实验的、理论的研究。目前，随着计算机技术应用与发展，采用CFD数值模拟研究透平的特性成为一种新方法。本文主要研究了以下几个方面的问题：
　　 1.多级透平性能预测。采用理论计算与数值模拟两种方法预测了多级液力透平的性能。理论方法的基本思想是：由能量方程与旋转叶栅特征方程推导透平叶轮的动力学方程，建立了透平水头系数ε与几何参数的关系式；分析透平内各过流部件流动损失，计算透平损失系数Φ；用水头系数与损失系数表示透平的水力效率，最大效率对应于最小的Φ/ε。计算得到的方程组，确定方程中各项结构特征参数，解出最优工况的Q11, n11。数值计算的方法是建立ns=68的多级离心泵3D全流道模型，划分网格并采用FLUENT软件进行计算。通过定水头变转速模拟，选取600m水头时12个转速工况点进行计算，做透平转速特性曲线图与单级综合特性图，由模拟结果从图中确定最高效率点Q11, n11。对以上两种理论与模拟方法进行了比较，发现数值计算结果更合理些，而理论分析的预测方法可以作为初步估算。
　　 2.多级透平全流道模拟。对已有的ns=68的5级导叶式离心泵全流道模型，在固定转速的情况下，改变流量做透平工况模拟计算，得出性能曲线。用Tecplot软件进行后处理，观察多级透平在大流量、小流量，最优工况时导叶-叶轮截面，进水室中面，出水室中面，叶片工作面和背面等位置的压力、速度分布，分析了透平内部液流流动机理，过流部件中存在的流动损失现象及其产生的原因等。比较多级透平最优工况中间各级耦合面的速度、静压分布，并分析主要过流部件性能参数变化规律。对于透平叶轮头部进口的冲击损失、反导叶的旋涡、进水环形室底部的混合撞击、出水室隔舌两侧的涡带等现象，分别提出结构改进的措施。
　　 3.透平特性研究。主要研究多级透平的能量特性与力特性。比较ns=68多级离心泵在两种工况的性能差异，研究转速对透平工况性能的影响，研究5级透平各级受径向力与轴向力的情况以及透平一级叶轮受力随流量的变化规律等。建立ns=35、60、68、100的多级离心泵的一级模型，比较四种比转速透平性能参数随流量的变化规律，研究模型在透平与泵两种工况最高效率点性能比值(ηt/ηp、Pt/Pp、Ht/Hp、Qt/Qp、Fzt/Fzp、Frt/Frp)与比转速的关系。分析多级模型在透平与泵工况性能差异，推导两种工况性能参数比值的关系式；分析透平径向力、轴向力产生的原因，并比较一级模型两种工况受力随流量的变化规律。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题的研究意义

1.2 反转泵性能研究现状

1.2.1 实验方法研究透平性能

1.2.2 理论方法研究透平性能

1.2.3 数值模拟方法研究透平性能

1.2.4 反转泵研究中的问题与发展趋势

1.3 本文主要研究内容

1.4 本章小结

第2章 数值模拟理论基础

2.1 CFD数值模拟的主要步骤

2.1.1 计算区域

2.1.2 划分网格

2.1.3 紊流模型和离散方法

2.1.4 边界条件设置

2.2 CFD求解透平特性参数的计算

2.3 本章小节

第3章 多级液力透平性能预测

3.1 多级透平性能预测理论模型

3.1.1 透平转轮的水动力学方程

3.1.2 透平的最优工况

3.1.3 损失系数求解

3.1.4 容积效率与机械效率

3.1.6 计算实例

3.2 CFD模拟预测多级透平的性能

3.2.1 建立模型及前处理设置

3.2.2 固定水头变转速模拟

3.2.3 结果分析及最高效率点确定

3.3 模拟结果与理论预测结果的比较

3.4 本章小结

第4章 多级液力透平全流道模拟

4.1 改变流量多级透平全流道模拟

4.2 不同流量时各过流部件流场分析

4.2.1 中间一级叶轮-导叶流场分布比较

4.2.2 中间一级叶轮叶片流场分布比较

4.2.3 进水室流场分布比较

4.2.4 出水室流场分布比较

4.3 最优工况流场分布及结构改进措施

4.3.1 多级透平最优工况流场分布

4.3.2 最优工况各级性能分析

4.3.3 结构改进的措施

4.4 本章小结

第5章 液力透平两种工况性能比较

5.1 透平与泵工况性能比较

5.1.1 两种工况性能曲线数值模拟

5.1.2 性能参数比值的理论分析

5.2 不同比转速透平的性能分析

5.3 两种工况性能参数比值数值计算

5.4 性能参数与比转速的关系

5.5 本章小结

第6章 多级液力透平的特性研究

6.1 转速对透平性能的影响

6.2 透平的力特性研究

6.2.1 轴向力与径向力的产生与计算

6.2.2 多级透平力特性分析

6.2.3 不同比转速透平力特性比较

6.3 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

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