海水淡化高压泵能量回收装置的设计与研究

摘要

在全球淡水资源日益紧缺的现状下，海水淡化产业已经是各国解决水资源危机的重要途径。作为海水淡化系统的关键设备的能量回收装置研发技术发展缓慢，市场被欧美垄断，且产品进口价格高昂，使得海水淡化成本与自来水相比缺乏竞争力。泵作透平的设计理论成熟、结构简单、操作和维护十分方便、成本造价也较为低廉，是目前使用最广泛的能量回收装置，但仍存在回收效率低的问题。为进一步提高能量回收装置的效率，本文提出了一种具有高压泵及能量回收装置的一体式紧凑化结构，且高效率化的带能量回收装置的高压泵，并对其中能量回收装置进行了水力设计和研究。主要工作如下:
　　归纳并整理了国内外关于反渗透海水淡化能量回收装置的相关研究，分析了能量回收装置的研究热点及其主要发展趋势。
　　系统地总结了目前关于泵反转作透平的研究方法。阐述了实验研究方法、理论研究方法与数值计算方法，介绍了各种方法的优缺点。根据目前的发展趋势，确定了本文的研究方案。
　　针对多级离心泵的结构特点研究了反转泵的工作原理，确定了本文能量回收装置的设计方法。本文运用多级离心泵反转的设计理论，分别选取三种不同级数的方案对能量回收装置进行水力设计，完成了回收装置中的叶轮、导叶、蜗壳与出水室的水力设计，同时根据相应的水力设计进行各过流部件的三维实体建模。总体上设计出了满足要求的能量回收装置。
　　采用ANSYS-CFX软件与标准k-ε湍流模型对三种不同设计方法所获得的水力模型进行内部流场计算，获得了各设计方案所对应模型的内部流场特征。全面对比分析了五级、六级和七级回收装置的流场及性能差异，明确了最优设计方案，即采用六级方案，并进行深入研究。
　　针对确定的最优模型进行各流量工况下的数值计算，获得了该模型在各工况下的内部流场特征及其扭矩分布情况;针对确定的最优设计方案进行各流量工况下的数值计算，获得了该模型在各工况下的性能曲线。
　　通过改变性能参数比QP/QT的取值修正了叶轮尺寸，经过计算得出修正后的能量回收装置最高效率工况点在设计工况附近，证明了通过改变QP/QT的取值来调整透平工况下的最高效率工况点的方法是可行的。
　　分析了能量回收装置中各导流部件中的能量损失，对出水室进行了重新设计，使能量回收装置整体效率达到了81.19％。

目录

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摘要

第一章 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 能量回收装置的发展历程

1．2．2 能量回收装置的种类

1．2．3 国内能量回收装置的研究现状

1．3 一种与泵同轴的新型能量回收装置

1．4 本文主要工作及内容

第二章 反转泵作透平的研究方法

2．1 实验方法研究透平性能

2．2 理论方法研究透平性能

2．3 数值模拟方法研究透平性能

2．4 本章小结

第三章 水力设计与三维造型

3．1 基本参数

3．2 水力透平的选型

3．2．1 泵作水力透平

3．2．2 泵工况性能参数的确定

3．3 叶轮的水力设计

3．3．1 确定轴径及轮毂直径

3．3．2 叶轮进口直径Dj的确定

3．3．3 叶轮出口直径D2

3．3．4 叶轮出口宽度b2

3．3．5 叶轮叶片数

3．3．6 基于液力透平特点的修改

3．4 导叶的水力设计

3．4．1 导叶的选型

3．4．2 确定导叶的主要几何参数

3．5 蜗壳的水力设计

3．5．1 基圆直径D7

3．5．2 涡壳进口宽度b7

3．5．3 涡壳隔舌安放角φ0

3．5．4 涡壳各断面面积及扩散段的设计

3．6 出水室的设计

3．7 各水力部件的三维造型

3．8 本章小结

第四章 能量回收装置全流道数值模拟及内部流场分析

4．1 流场计算方法简介

4．1．1 流场计算基本原理

4．1．2 运用CFX进行流场计算

4．1．3 全流道模型及网格无关性验证

4．1．4 边界条件设置

4．1．5 求解器设置

4．2 三种设计方案的内部流场分析

4．2．1 能量回收装置内部压力场分布

4．2．2 五级模型各过流部件的内部流场分析

4．2．3 六级模型主要水力部件的内部流场分析

4．2．4 七级模型主要水力部件的内部流场分析

4．3 计算结果及最优方案的确定

4．4 本章小结

第五章 能量回收装置的优化

5．1 初始模型各流量工况下的数值模拟

5．1．1 各级叶轮扭矩分析

5．1．2 内部流场分析

5．2 数值模拟结果及最高效率工况点的优化

5．2．1 数值模拟结果

5．2．2 叶轮参数的修正

5．2．3 修正前后内部流场对比

5．3 各导流部件能量损失分析及出水室的优化

5．3．1 各导流部件能量损失分析

5．3．2 出水室的优化

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文