不同工况对高压自平衡型泵作透平稳定性影响分析

发布时间：2020-05-12 00:53

【摘要】：目前我国已成为世界上能源消费总量最大的国家。而一次性能源实际利用率却不到40%、石油储量不到世界2%,因此,大力发展有利于社会和生态环境可持续发展的风能、太阳能、地热能、海洋能以及生物质能等新能源领域,逐步降一次性能源的消费比重,降低碳排放实现低碳发展,是我国能源消费结构调整的重大举措。泵作透平是被最早研究和开发的余压能回收技术,是通过离心泵反转作透平将高压液体作用于透平轮产生轴的输出功率来驱动其它耗能机械的结构形式,具有结构简单、生产成本低、维修方便等优点,但是由于工况的复杂多变性对其安全稳定运行的影响非常大,故需要在进行内部流动分析的基础上对其进行稳定性研究。本文以双吸自平衡多级离心泵作透平为研究对象,研究不同工况对其稳定性的影响规律,为后续液力透平的研究及应用提供参考。本文的研究内容主要有:(1)针对余能回收系统的工艺流程对泵作透平性能特性的要求,在对国内外现有泵作透平进行系统调研和分析的基础上,通过借鉴现有多级泵的结构形式,综合考虑高压下泵作透平高效高可靠运行,创新性提出了一种高压自平衡型泵作透平设计方案并完成样机的水力与结构设计,基于三维软件Creo、流场分析软件CFX分别对其在泵工况与透平工况进行数值计算,搭建了试验台并对高压自平衡型泵作透平在泵工况进行了外特性试验,验证了数值模拟方法的合理性,并对研究结果进行了分析,获得了高压自平衡型泵作透平在不同工况下的内部流动特性。(2)通过对不同流量和含气率下高压自平衡型泵作透平进行非定常计算,系统分析了高压自平衡型泵蜗壳、首级双吸叶轮、径向导叶和次级单吸叶轮的水动力特性,获得了不同工况下高压自平衡型泵压力脉动和径向力变化规律,揭示了影响透平工况稳定性的内在因素。(3)分析了均相流和非均相流在高压自平衡型泵作透平工况下的适用性,采用非均相流模型对气液两相工况下高压自平衡型泵进行数值计算,分别对高压自平衡型泵在进口含气率为5%、10%、15%和20%时的内部流动进行分析,研究了流道内的气相体积分布、压力分布和速度分布,获得了不同进口含气率对转子系统流体域的影响;分析了进口含气率对透平工况压力脉动和径向力的影响,获得了气液两相工况下的压力脉动和径向力变化规律,为研究气液两相工况下的转子系统稳定性提供了分析基础。(4)在对高压自平衡型泵作透平的内部流动分析的基础上,对其转子系统建立了流固耦合计算模型,采用ANSYS Workbench软件对其在不同流量和含气率的工况下进行单向流固耦合计算,对比分析了高压自平衡型泵在不同流量和不同含气率下的应力和位移变形规律、转子系统在有无预应力下的模态振型,获得了高压自平衡型泵作透平的动力学特性,对于研究高压自平衡型泵转子系统的稳定性提供参考。(5)采用ANSYS Workbench软件对高压自平衡型泵转子系统进行瞬态动力学计算,获得了流量与含气率对于振动位移和振动速度的影响,并通过计算获得了转子系统的振动烈度,揭示了流量和含气率的变化对于高压自平衡型泵转子系统稳定性的影响规律。
【图文】：

示意图,控制面,流体运动,动量矩

图 2-1 流体运动控制面示意图图 2-2 液力透平进出口速度三角形叶轮出口 2-2 和 2’-2’断面间流体的动量矩： d u2 2（2-2）叶轮出口 1-1 和 1’-1’断面间流体的动量矩： d u1 1（2-3）dt 时间内的动量矩变化为： = d ( 2 2 1 1) （2-4）则一个流道的动量矩为： d ( u2 2 u1 1) = Zd （2-5）式中 vu1和 vu2分别为叶轮进口和出口的绝对速度的圆周分量；对于式（2-5）右端的外力矩 Mz，分析作用在液流（控制面内）质量上的外

示意图,动量矩,速度三角形,液力

图 2-1 流体运动控制面示意图图 2-2 液力透平进出口速度三角形叶轮出口 2-2 和 2’-2’断面间流体的动量矩： d u2 2（2-2）叶轮出口 1-1 和 1’-1’断面间流体的动量矩： d u1 1（2-3）dt 时间内的动量矩变化为： = d ( 2 2 1 1) （2-4）则一个流道的动量矩为： d ( u2 2 u1 1) = Zd （2-5）式中 vu1和 vu2分别为叶轮进口和出口的绝对速度的圆周分量；对于式（2-5）右端的外力矩 Mz，，分析作用在液流（控制面内）质量上的外
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH38

【参考文献】