基于气液两相的液力透平内多工况流动机理研究

发布时间：2020-08-22 12:00

【摘要】：随着化石能源的日益枯竭,除了开发新能源,还要有效利用现有能源,其主要措施就是提高现有能源的利用率。在石油化工等生产领域产生的高温高压流体所携带的压力能常常被利用减压阀减压或直接排放在环境中,这部分能源不仅没能被很好利用,还会造成环境污染,企业生产成本增加,同时也不符合国家所提出的可持续发展战略。而使用液力透平就能够很好的回收这部分能量,提高能源利用率,减少生产成本,提高企业竞争力。工程实际中,液力透平在回收石油化工、合成氨等行业的高压液体时往往含有一定量的气体,气体的存在将导致液力透平能量回收率降低,机组的稳定性变差,常出现振动噪声等情况,甚至影响透平机组的寿命,而对液力透平在含气工况下的研究很少有文献报道。目前对液力透平气液两相条件下的研究主要存在的问题有:一、现有气液两相条件下的液力透平基本方程没有考虑气体的压缩性;二、对气液两相条件下液力透平内部流动机理掌握尚不成熟;三、含气工况下液力透平水力性能较差。基于此,本文将首先完善气液两相条件下液力透平的基本方程,然后利用流场计算与理论分析相结合的方法对气液两相条件下液力透平内部的流动机理展开研究,同时分析导叶对液力透平内部流动机理的影响,通过上述研究以求为工程实践提供理论基础和为后续多相条件下液力透平的研究提供一定的参考依据。本文主要研究内容和成果如下:(1)气液两相条件下液力透平基本方程的完善气液两相条件下存在两相速度分离和气体的可压缩性,现有的气液两相条件下液力透平的基本方程均没有考虑气体的压缩性。本文将在已有纯液条件下液力透平基本方程的基础上,通过考虑气体的压缩性,从能量转换与守恒的基本原理出发,利用欧拉方程和叶轮进出口速度三角形,进一步完善了气液两相条件下液力透平的基本方程。(2)气液两相条件下液力透平内部流动机理研究采用数值计算的方法对比转速为55.7的离心泵反转作液力透平在不同流量、不同含气率下进行研究,分析含气率对液力透平外特性和各过流部件内流场的影响规律,通过研究得到了在气液两相条件下液力透平的外特性曲线、各过流部件内两相介质的运动特性、在不同含气率下流场(速度、压力)的分布规律以及水力损失特性等。发现在大流量区域时随着含气率的增加效率下降较快,在各个过流部件内含气率对叶轮内的水力损失影响最大;随着含气率的提高,叶轮内流动变得不稳定且出现旋涡,叶轮内的气体体积分布变化越快。(3)气液两相条件下导叶对液力透平内部流动机理的影响通过在液力透平叶轮进口添加一组负曲率导叶,设计出含导叶的水力模型。研究含气工况下导叶对液力透平外特性和各过流部件内流场的影响规律,并通过与无导叶时液力透平外特性、内流场以及水力损失等进行对比分析。结果表明添加导叶前蜗壳和叶轮流道内压力分布和气相分布不均匀,且含气率越高均匀性越差,过流部件内流动较为紊乱,且形成了旋涡区域;而添加导叶后,在较高含气率工况下叶轮流道内压力分布也非常均匀,气体分布的不均匀性和混合介质的流动情况均得到改善,水力损失减少,最优效率点的效率要明显高于未添加导叶的最优效率点的效率值,但随着含气率的提高,含导叶的液力透平效率比未添加导叶的透平效率下降的要快。说明添加导叶不仅能改善气液两相条件下液力透平内部流动,减少水力损失,还能提高液力透平效率和运行时的稳定性。
【学位授予单位】：西华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE65;TQ051
【图文】：

目前主要存在的问题是对液力透平内气液两相流动过程和机理掌握不成熟。1.3.1 泵反转作液力透平研究现状利用泵反转作液力透平（Pumps as Turbines，简称 PAT）是液力透平的一种重要形式, 这种形式的液力透平在压力能回收领域被广泛应用。泵根据其叶轮的结构形式通常可划分为轴流式、混流式以及径流式，而利用泵反转作液力透平一般采用径流式或混流式。径流式离心泵在工作时通过叶轮旋转将轴功转化为液流介质的能量，而当高压液流介质为动力源时，径流式离心泵此时为原动机带动与其相连的发电机、风机、泵或者压缩机等工作，因此在高压液流的作用下离心泵反转就是液力透平[11-13]。当径流式离心泵反转作透平时，离心泵的进口就是液力透平的出口，离心泵的出口就是液力透平的进口，如下图 1.1，1.2 所示为径流式离心泵正反转示意图。泵反转作透平时，高压液流从离心泵出口进入，将所携带的压力能转化为透平的轴功，用于驱动与透平相连的旋转机械，从而实现了压力能的回收利用。

目前主要存在的问题是对液力透平内气液两相流动过程和机理掌握不成熟。1.3.1 泵反转作液力透平研究现状利用泵反转作液力透平（Pumps as Turbines，简称 PAT）是液力透平的一种重要形式, 这种形式的液力透平在压力能回收领域被广泛应用。泵根据其叶轮的结构形式通常可划分为轴流式、混流式以及径流式，而利用泵反转作液力透平一般采用径流式或混流式。径流式离心泵在工作时通过叶轮旋转将轴功转化为液流介质的能量，而当高压液流介质为动力源时，径流式离心泵此时为原动机带动与其相连的发电机、风机、泵或者压缩机等工作，因此在高压液流的作用下离心泵反转就是液力透平[11-13]。当径流式离心泵反转作透平时，离心泵的进口就是液力透平的出口，离心泵的出口就是液力透平的进口，如下图 1.1，1.2 所示为径流式离心泵正反转示意图。泵反转作透平时，高压液流从离心泵出口进入，将所携带的压力能转化为透平的轴功，用于驱动与透平相连的旋转机械，从而实现了压力能的回收利用。

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Fig. 2.1 Fluid motion control surface schematic Fig. 2.2 Hydraulic turbine inlet and outlet speed triangle2-2'与 1-1'区域内的流体体积相等，由于 dt 足够小，相应的 2-2'与 1-1'区域也会足够小，它们到透平主轴线可近似认为等于叶轮出口半径 R1和叶轮进口半径 R2。它们的绝对速度为 C1、C2，因为绝对速度的轴面分速度（m1 m2c 、 c）不产生动量矩，故只有绝对速度的圆周分速度（u 1 u2c 、 c）产生动量矩，所以叶轮进口 1-1'区域内流体的动量矩1-1 u t u2 2L mυ r ρQ dtc R′= Δ = （2.2）叶轮出口 2-2'区域内流体的动量矩2-2 t u1 1L ρQ dtc R′= （2.3）由上面两式，dt 时间内动量矩变化为( )2-2 1-1 t u 1 1 u2 2dL L L ρQ dt c R c R′ ′= = （2.4）

【参考文献】

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本文编号：2800658