泵作透平专用叶轮的设计方法与试验研究

发布时间：2020-03-20 13:38

【摘要】：离心泵反转作透平因具有成本低,运行维护成本少,占地空间小等经济技术优势,在化工、石油等工业余能回收系统,及微型(小于100 kW)水能开发中得到广泛地应用。目前离心泵反转作透平大多采用直接选用原型泵反转的型式,受空间尺寸的限制,单级单吸离心泵通常没有可调节的活动导叶,泵作透平时液体直接从蜗壳出口流向叶轮进口;由于泵叶轮设计时仅考虑泵运行工况并未考虑透平运行工况,叶片进、出口安放角及叶型不能较好地匹配透平运行工况,普遍存在透平运行效率不高且高效区较窄的问题;且泵反转运行性能通常未知,造成透平运行的参数难以预测,导致透平选型不准。因此,开展性能可预测的泵作透平专用叶轮的研究对提高现有压力能利用率,解决小功率液体压力能开发利用的关键技术问题具有重要的意义。本文综合采用理论分析、数值模拟和试验研究相结合的方法围绕离心泵作透平专用叶轮的设计方法开展研究。本文的主要工作和创造性成果有:(1)总结了国内外泵作透平选型、性能提高与运行稳定性的研究现状和研究进展,归纳了泵正反转性能参数的换算关系等。(2)研究了数值计算中径向间隙分布、网格数、湍流模型等关键因素对泵作透平外特性的影响规律;搭建了透平试验台,对泵作透平开展试验;对比数值计算与试验结果验证了泵作透平数值计算方法。(3)首次提出了采用透平专用叶轮设计方法以改善泵作透平的效率。给出了非原型断面按照面积相等原则,计算蜗壳螺旋进口断面当量圆半径的方法;首次推导了蜗壳几何参数与叶轮进口速度矩的关系表达式。对原型泵叶轮与透平专用叶轮进行同台试验,对比试验结果证实了透平专用叶轮能够显著提高泵作透平的运行效率,且高效区宽。(4)理论分析了叶片进口安放角、叶片进口宽度、叶轮进口直径对透平高效点流量的影响规律,并通过数值计算,证实了导出的叶片几何参数与设计计算流量关系表达式的正确性。通过数值计算系统地研究了叶片进口安放角、出口安放角、叶片进、出口安放角变化规律、叶轮进口直径、叶片进口宽度以及叶片数等关键因素对液力透平性能的影响,给出了透平专用叶轮几何参数的确定方法,为专用叶轮的设计提供了参考。(5)将论文提出的透平专用叶轮设计方法运用于中、高比转速离心泵作透平,开发了对应比转速的透平专用叶轮,分析了不同比转速透平专用叶轮叶片进口安放角的最佳取值范围,并进行样机性能试验。结果表明:专用叶轮分别将比转速为66、132和193的液力透平最高效率提高7.93%、8.07%和5.45%,专用叶轮提升液力透平效果显著。(6)总结了不同比转速、不同进口安放角时的透平高效点理论设计流量与数值计算结果,对比得到两者的相对偏差在5%范围内;表明推导的叶片进口安放角与设计流量之间的关系表达式能够实现对透平专用叶轮高效点流量的有效预测。创造性地提出了透平实际水头的理论预测方法。(7)试验研究了不同比转速液力透平专用叶轮在变转速下的外特性变化规律,结果表明不同转速下试验得到的性能参数与采用比例定律计算值有一定的差异,运行偏离额定转速越远,两者偏差越大;数值模拟计算值与采用比例定律计算值吻合较好,但CFD不能完全客观反映变速对效率的影响。分析了变速对专用叶轮各分效率的影响规律:降速对容积效率呈负影响,一定范围内升速对机械效率呈非线性正向影响的规律。阐明了透平偏离额定工况越远,效率下降越明显的运行规律,定性地提出了透平变工况运行时的经济运行方案,为透平变工况运行提供了有益的参考。
【图文】：

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义发展，成为全球关注的要点之一。在石有高压能量的液体直接通过减压阀等装透平能够利用液体压能带动其他工作机的回收利用[6-11]。离心泵反转作透平（计成熟、成本低、安装维护方便等优点于具备一定水力条件的偏远地区，采取减少运行维护成本[20-26]。离心泵作透平如图 1-1 所示，离心泵叶轮是具有高反用，，压能转化为机械能，驱动其它耗能

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泵作透平试验台简图
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH311

【参考文献】