低比转速泵反转液力透平性能预测及流道结构优化

作     者：夏正廷 

作者单位：兰州理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：敏政;王晓晖

授予年度：2019年

学科分类：080704[工学-流体机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：泵反转液力透平 低比转速 换算关系 修正系数 叶间流道收缩角 叶片排挤系数 

摘      要：液力透平是一种液体余压能量回收装置,可回收过程工业流程中高压液体的残余能量。泵反转作液力透平价格低廉、结构简单、型式多样、检查维护方便,应用最为广泛。对于泵反转液力透平而言,泵工况与透平工况之间性能换算关系是透平选型设计的关键,但低比转速泵反转作液力透平现有的性能换算关系式均不准确。此外,低比转速离心泵采用加大流量设计时,一般选用较大的叶轮出口宽度和叶片出口安放角。这导致其反转作液力透平时导致叶间流道收缩严重,效率低。基于此,本课题开展了低比转速泵反转液力透平性能换算关系修正方法、叶间流道流道收缩程度及叶片排挤程度对液力透平水力性能影响等方面的研究。主要工作内容及结论如下:1、分析了速度滑移和放大系数对低比转速泵反转液力透平性能换算关系的影响,提出一种性能换算的修正方法。采用计算流体动力学软件Fluent17.0对比转速为33～86的8台液力透平进行数值计算,得到其扬程、流量换算关系的修正系数。进一步建立了该修正系数与比转速的数学关系。通过已公开的7台低比转速泵反转液力透平试验结果验证,采用该修正系数计算的流量比与扬程比,比其他方法误差约减小3%5%。2、以比转速为47的离心泵反转作液力透平为研究对象,采用CFD数值模拟方法研究不同叶片数时叶间流道收缩角对液力透平水力性能的影响。结果发现,随着叶片间流道当量收缩角的减小,透平最优效率明显提高。内流场分析发现,增加叶轮叶片数可使相邻叶片间的收缩程度减小,且增加了叶轮内流体与叶片的接触面的个数,从而使得叶片对流体的控制增强,叶轮流道内流动分离减弱,有效的改善了叶轮内的流动,从而使叶轮内的水力损失降低。3、以4叶片液力透平为研究对象,采用CFD数值模拟方法研究堵塞流道时叶片排挤系数对液力透平水力性能的影响。研究发现,叶间流道收缩角对液力透平效率的影响较大,叶片排挤对其并无明显影响。随着叶片排挤系数减小,液力透平最优工况向小流量工况偏移,当叶片排挤系数为0.49时,这一变化最为明显。叶轮内流场分析可以得出,随叶片排挤系数的减小,使叶片间流道扩收缩程度减小,叶片对流体的约束增强,叶轮流道内由惯性引起的速度滑移及由二次流引起的水力损失减小,叶轮的做功能力增强,透平的效率提升。当叶片排挤系数为0.49时,在小流量工况可有效改善叶轮内部流动。