液力透平叶轮内速度滑移机理及S型叶片的水力特性

摘要

液力透平可回收生产生活中的液体余压能量，将液体压力能转换为旋转机械能加以利用，在石油化工、煤化工、海水淡化、钢铁冶金等工艺流程中有广泛应用。但工业应用发现，该装置存在选型不准、效率低、运行不稳定等问题。究其原因，液力透平内部流动机理不清，速度滑移、通道涡等特殊流动现象对能量转换及运行稳定性的影响未曾得知，这成为阻碍液力透平性能预测及优化设计的屏障。基于此，本课题开展了液力透平叶轮内速度滑移机理，以及基于速度滑移的叶片水力模型优化等方面的研究。具体内容如下： （1）以离心泵反转液力透平（Pumps as Turbines，简称PAT）为研究对象，通过理论分析与计算流体动力学（Computatinal Fluid Dynamic，简称CFD）数值模拟，分析了泵工况与透平工况的速度滑移机理，对比了两工况的滑移系数，建立了考虑滑移系数时泵与透平性能参数间的比例关系。经试验验证，该关系式比Stepanoff，Alatorre-Frenk，Sharma等方法误差更小，可为PAT的选型设计和性能预测提供理论指导。 （2）基于势流理论，在考虑速度滑移的条件下，通过蜗壳与叶轮协同水力设计，提出了液力透平大进口角叶片方案，构建了S型叶片的叶轮水力模型。以80-50-315液力透平为研究对象，采用CFD数值模拟计算了叶片进口角分别为30°、60°、90°、120°、150°、175°的6种不同叶型液力透平的能量特性，对比发现，进口角为90°~150°时，液力透平回收功率较高，进口角为120°时，液力透平回收功率最高。进一步数值模拟发现，S型叶片液力透平比后弯叶片及离心泵反转透平的回收效率高。 （3）采用RNG k-ε湍流模型对S型叶片液力透平内流场进行定常计算，分析了速度滑移诱发的大尺度叶道涡的结构特征。研究发现：叶道涡主要发生于叶轮进口处，造成此处速度压力分布紊乱。大流量时叶道涡区域较小，强度较弱。进一步采用分离涡模型（DES）对该透平不同工况的非定常计算发现：叶道涡的结构随时间无明显变化，但涡核的旋涡强度有明显的周期性变化，变化周期为叶轮旋转周期的0.5倍。叶道涡对液力透平内压力脉动有一定影响。 （4）采用CFD数值模拟方法，通过为S型叶片液力透平设置不同叶片数与叶片包角等方案，分析了叶间流道收缩角对速度滑移的影响，建立了滑移系数与叶间流道收缩角的二次函数关系；研究了转速对液力透平速度滑移的影响，得到了滑移系数与转速的三次函数关系。 为验证所提出的S型叶片液力透平的水力性能，通过对80-50-315S型叶片、后弯叶片及泵反转液力透平的外特性对比试验发现，在所测试工况范围内，S叶片液力透平回收效率最高，比泵反转透平平均高约3%。 以上研究成果可为液力透平选型、性能预测、优化设计等方面的理论研究及工程应用提供一定的理论依据。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 PAT性能换算关系研究

1.2.2 液力透平内流机理

1.2.3 液力透平流道结构优化

1.2.4 存在的问题和不足

1.3 研究课题来源

1.4 本文主要研究内容

第2章 泵与透平性能参数间的比例关系研究

2.1 概述

2.2 数值模拟方法

2.2.1 数值模拟概述

2.2.2 数值模拟方案

2.3 试验方法及装置

2.3.1 试验装置

2.3.2 参数测量与数据处理

2.4 数值模拟可靠性验证

2.5 PAT速度滑移特征

2.5.1 滑移机理及滑移系数

2.5.2 速度滑移的内流特性

2.5.3 泵与透平滑移系数对比

2.6 PAT流速系数计算与分析

2.6.1 流速系数计算方案与模型

2.6.2流速系数的计算与分析

2.7 考虑滑移系数时PAT性能比例关系

2.8 本章小结

第3章 液力透平S型叶片的几何构建及水力特性分析

3.1 液力透平内部势流分析

3.2 液力透平大进口角优化方案

3.3 S型叶片液力透平的水力特性

3.4 本章小结

第4章 速度滑移诱发的叶道涡特征与规律

4.1 速度滑移诱发叶道涡现象

4.2 叶道涡对液力透平内流场的影响

4.3 叶道涡对叶轮能量转换的影响

4.4 叶道涡的非定常特性

4.4.1 分离涡数值模拟（DES）方案

4.4.2 叶道涡的特征及运动规律

4.5 本章小结

第5章 速度滑移影响因素分析

5.1 S型叶片几何参数对速度滑移的影响

5.1.1 叶片数对速度滑移的影响

5.1.2 叶片包角对速度滑移的影响

5.1.3 滑移系数与叶间流道收缩角的数学关系

5.2 转速对S型叶片液力透平速度滑移的影响

5.3 本章小结

第6章 液力透平试验研究

6.1 试验装置及过程

6.2 试验结果分析

6.2.1 S型叶片液力透平的能量特性

6.2.2 S型叶片液力透平的转速特性

6.3 本章小结

结论与展望

1.结论

2.本文创新点

3.工作展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文等成果