多级液力透平参数之间关系的研究

发布时间：2017-10-14 11:13

  本文关键词：多级液力透平参数之间关系的研究

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【摘要】：液力透平能够回收高压液体中的能量,将压力能转化为轴功来驱动发电机发电或者其他耗能机械做功,从而实现高压液体中的能量的回收利用。液力透平的主要形式之一是泵反转作透平,泵反转作透平的具有结构简单、成本低、规格齐全等优点,它包括单级液力透平和多级液力透平,单级液力透平主要应用在中低功率中,而多级液力透平则可以在大功率的情况下运行。本文针对多级离心泵作透平时与泵工况时的参数之间的关系进行了研究,并对多级离心泵作透平时的水力性能进行了预测。在对多级离心泵的研究过程中,选用比转速分别为60、68.6和112.5的多级离心泵作为研究对象,对上述的问题进行研究。 1、理论分析。多级离心泵在正反工况时的损失分别包括机械摩擦损失、泄漏损失和水力损失；机械效率与容积效率通过理论计算得出,从而获得多级离心泵的水力效率。水力损失中主要包括吸入室的水力损失、压出室的水力损失、叶轮中的水力损失、导叶中的水力损失和级间水力损失,吸入室的水力损失与压出室的水力损失可以忽略不计,吸入室的水力损失、压出室的水力损失通过理论计算获得,同时得到泵工况时叶轮和导叶的水力效率,在透平工况时多级离心泵反转,通过计算获得叶轮和导叶在反转时的水力效,结合级间损失得到多级离心泵在透平工况时的水力效率；通过对多级离心泵在正反工况下进出口的速度三角形进行分析,获得多级离心泵在正反转时在最优效率点的流量的关系；根据动量矩定理可以得到多级离心泵在泵工况和透平工况时的扬程和压头的关系。通过总上所得到的三个关系式,可以求得一台多级离心泵在透平工况时的压头、流量和水力效率。考虑多级离心泵作透平时的机械效率和容积效率,就可以得到透平时的总的效率。 2、数值分析及性能预测。对比转速为60、68.6和112.5的多级离心泵进行数值分析,分别得到多级离心泵在透平工况和泵工况时的外特性曲线。从曲线可知,多级离心泵在透平工况时最优效率点的流量和压头分别高于泵工况时最优效率点的流量和扬程,而水力效率正好相反,透平工况时的最优效率低于泵工况时的最优效率。对多级离心泵透平时与泵工况时最优效率点的流量比值、扬程比值、功率比值和效率比值分别随比转速的变化进行分析,多级离心泵在透平工况与泵工况时流量比值q随着比转速的增加而减小,压头与扬程的比值h却随着比转速的增加而增大。同时将数值计算的结果跟理论分析的结果进行比较,两者的结果基本吻合,这也证明了理论分析的准确性。 3、多级泵透平内部流场分析。对多级离心泵作透平时吸入室、压出室、导叶和叶轮中的流场进行分析和水力损失的分析,在吸入室和压出室中的相对速度和静压力分布不均匀,水力损失随流量的增加而增大,但是在多级离心泵透平时最优效率点附近水力损失很小可以忽略不计。在导叶中的反导叶中相对速度分布不均,在反导叶的叶片凹面的速度大,并在反导叶中出现大量漩涡,压力分布梯度不明显,变化剧烈；在正导叶中相对速度分布均匀,在扩散段静压力逐渐降低分布层次分明,但是在螺旋线段压力不均匀,同时在导叶中的损失随着流量的增加而增大,根抓计算在导叶中无冲击损失时为1.5倍泵的设计流量。在叶轮中静压力从进口到出口逐渐降低,层次分明,工作面的压力高于背面的压力,而在低流量是工作面上出现大面积低速区,叶轮的水力损失在存在最低点,在最低点两侧水力损失随着流量偏离量的增加而增大,叶轮中的最优效率点并不跟多级离心泵的最优效率点的重合。
【关键词】：多级离心泵 液力透平 理论分析 性能分析 数值分析 流场分析
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TH311
【目录】：

• 摘要7-9
• Abstract9-11
• 第1章 绪论11-18
• 1.1 课题的研究背景及其意义11
• 1.2 国内外的研究现状11-17
• 1.2.1 流体液力透平能量回收的原理11-12
• 1.2.2 泵反转做透平12-15
• 1.2.3 泵作透平的特点及应用15-16
• 1.2.4 泵作透平应用的问题16-17
• 1.3 课题的研究内容17-18
• 第2章 三维建模和CFD数值计算的基本理论18-30
• 2.1 三维建模18-19
• 2.2 CFD基本原理19-24
• 2.2.1 基本控制方程19-21
• 2.2.2 湍流模型21-23
• 2.2.3 CFD模型的离散23-24
• 2.2.4 计算算法24
• 2.3 Gambit的网格划分24-27
• 2.3.1 网格单元分类25
• 2.3.2 网格类型25-26
• 2.3.3 网格的划分过程26-27
• 2.4 Fluent设置27-28
• 2.5 本章小结28-30
• 第3章 多级泵作液力透平的理论分析30-40
• 3.1 多级液力透平的基本原理30-31
• 3.1.1 多级泵透平的速度三角形30
• 3.1.2 多级泵离心泵做透平的基本方程30-31
• 3.2 多级离心泵各部分的损失及效率31-37
• 3.2.1 水力损失31-34
• 3.2.2 泄漏损失和容积效率34-35
• 3.2.3 机械损失和机械效率35-36
• 3.2.4 多级离心泵正反转时的效率36-37
• 3.3 多级离心泵正反转时的关系37-38
• 3.4 本章小结38-40
• 第4章 多级离心泵液力透平的数值模拟40-46
• 4.1 数值实验方案40
• 4.2 实验结果40-42
• 4.3 结果分析42-43
• 4.4 实例分析43-45
• 4.4.1 理论分析43-44
• 4.4.2 数值计算44
• 4.4.3 数值计算和理论分析的误差分析44-45
• 4.5 本章小结45-46
• 第5章 多级液力透平内部流动特性分析46-57
• 5.1 吸入室和压出室内部流场分析46-47
• 5.1.1 吸入室和压出室的压力分速度布图46-47
• 5.1.2 吸入室和压出室的损失47
• 5.2 导叶中的流场分47-52
• 5.2.1 反导叶中速度矢量分布48-49
• 5.2.2 反导叶中压力分布49-50
• 5.2.3 正导叶中速度矢量分布50
• 5.2.4 正导叶中压力分布50-51
• 5.2.5 导叶中的损失51-52
• 5.3 叶轮中的流场分析52-55
• 5.3.1 叶轮中的速度矢量分布52-53
• 5.3.2 叶轮中压力分布图53-54
• 5.3.3 叶轮中的损失54-55
• 5.4 本章小结55-57
• 结论与展望57-59
• 1 结论57-58
• 2 展望58-59
• 参考文献59-62
• 致谢62-63
• 附录A 攻读硕士学位期间发表的论文63

【参考文献】

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本文编号：1030727