离心泵作透平的水力特性研究和分析

发布时间：2017-05-11 10:15

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【摘要】：工业生产中有很多可以回收利用的液体压力能,这些压力能是能够进行循环利用的清洁能源。但是在石油化工行业中,有很多高压、高温的流体被直接排放掉,这就造成很大的资源浪费。使用液力透平装置对这部分能量进行回收,不仅可以解决我国的能源供应紧张的问题,也能够促进社会经济的可持续发展。当前,利用离心泵反转作为能量回收液力透平是水力机械领域比较热门的研究方向,这种能量回收装置已广泛应用在加氢裂化、化肥合成氨、油气储运、淡化海水、煤矿开采、城市供水等工业流程中,并取得了良好的经济效益。本论文选用广州市第一水泵厂有限公司生产的型号为IS100-65-200的离心泵为研究对象,采用实验研究、数值计算和理论推导三种方式相结合的方法对其水力特性进行了全面的研究。首先,介绍了离心泵作透平在工业生产中,特别是在油气储运工程中的应用情况,总结了泵作透平的国内外的研究现状,指出了目前的发展趋势和本文的研究内容。其次,详细介绍了泵作透平运行的外特性理论和CFD数值模拟的相关理论。再次,利用在广州第一水泵厂搭建的泵作透平的实验平台,对所选型号泵进行了全面的实验研究,通过实验得到了该型号泵分别在泵和透平两种工况下运行的外特性结果,并进行了分析。然后,对所选型号的PAT进行了CFD数值模拟研究。利用Pro/E三维造型软件对透平内部流体域进行了全流场三维建模,使用ICEM软件对模型进行了混合网格的划分,使用ANSYS-CFX软件进行了泵和透平工况下运行的数值计算。计算完成之后,对泵和透平工况下运行时的内部流场进行了分析,得到泵工况下在额定转速运行最佳工况点时内部流体域的速度场和压力场分布规律,也得到了不同流量下PAT内部流体域的速度场和压力场分布规律。同时,将在额定转速下的计算结果与实验结果进行了对比验证,证明了数值模拟的准确性。之后,对该型号的PAT在六个不同转速下进行了变转速的数值模拟计算,得到了PAT在变转速下运行的外特性曲线。并计算得到了1480r/min转速下PAT的内部的水力损失曲线,进行了研究分析。最后,对PAT的选型问题进行了深入研究,通过一系列的理论推导,最终得到了泵和透平在最佳工况点运行的性能预测公式,并对其进行了算例验证,证明了预测公式具有较高的准确性,可以用来指导对PAT的选型。
【关键词】：泵作透平 实验研究 CFD数值计算 变转速 PAT选型
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE974.1
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-12
• 第一章 绪论12-19
• 1.1 研究背景和意义12-13
• 1.1.1 研究背景12
• 1.1.2 液力透平简介12
• 1.1.3 泵反转作液力透平的发展及意义12-13
• 1.2 离心泵反转作透平的工作原理13
• 1.3 泵作透平在油气储运工程中的应用13-14
• 1.4 国内外研究现状14-16
• 1.4.1 PAT外特性的实验研究14
• 1.4.2 PAT的数值计算和内部流场的研究14-15
• 1.4.3 PAT选型预测的研究15-16
• 1.4.4 PAT内部非定常压力脉动的研究16
• 1.5 泵作透平应用中存在的问题16-17
• 1.5.1 PAT运行的效率问题16
• 1.5.2 PAT在变转速下运行的问题16-17
• 1.6 研究内容和工作基础17-18
• 1.6.1 研究内容17
• 1.6.2 工作基础17-18
• 1.7 本章小结18-19
• 第二章 PAT的基本理论及流动分析基础19-30
• 2.1 泵作透平的相关基本理论19-22
• 2.1.1 流量19
• 2.1.2 转速19
• 2.1.3 扬程19-20
• 2.1.4 功率20-21
• 2.1.5 效率21-22
• 2.2 泵作透平外特性曲线基础理论22-24
• 2.2.1 PAT的流量-水头变化曲线理论22-23
• 2.2.2 PAT的流量-轴功率变化曲线理论23-24
• 2.2.3 PAT的流量-效率变化曲线理论24
• 2.3 计算流体动力学简介24-25
• 2.4 流体力学控制方程25-26
• 2.5 湍流流动理论26-28
• 2.5.1 Reynolds平均法26
• 2.5.2 湍流模型介绍26-28
• 2.6 数值计算网格介绍28
• 2.7 计算流体力学的在PAT中的应用28-29
• 2.8 本章小结29-30
• 第三章 泵作透平的实验研究30-45
• 3.1 所研究型号泵的结构参数30-32
• 3.2 实验的目的和内容32
• 3.3 实验装置及试验台布置32-38
• 3.3.1 试验台的选择32-33
• 3.3.2 试验台的搭建33-35
• 3.3.3 流量的测量35-36
• 3.3.4 扭矩与转速的测量36-37
• 3.3.5 进出口压力的测量37-38
• 3.3.6 外特性参数的计算38
• 3.4 实验过程38-39
• 3.4.1 泵工况下的实验步骤38-39
• 3.4.2 PAT工况下的实验步骤39
• 3.5 泵和PAT的外特性实验结果分析39-43
• 3.5.1 实验结果数据记录及外特性曲线绘制39-42
• 3.5.2 泵和PAT的实验外特性结果分析42-43
• 3.6 本章小结43-45
• 第四章 泵作透平的CFD数值模拟研究45-75
• 4.1 PAT内部流体域的三维建模45-48
• 4.1.1 三维几何模型的选择45-46
• 4.1.2 全流场的三维建模过程46-48
• 4.2 网格划分48-50
• 4.2.1 网格类型的选择48-49
• 4.2.2 网格无关性检查49-50
• 4.3 CFX计算参数设置及后处理50-51
• 4.4 泵工况压力场和速度场分布51-53
• 4.4.1 泵工况压力场分布51-52
• 4.4.2 泵工况速度场分布52-53
• 4.5 PAT工况压力场和速度场分布53-58
• 4.5.1 不同流量下PAT内部压力场和速度矢量分布53-56
• 4.5.2 不同流量下PAT内部速度场流线图特性56-58
• 4.6 泵和透平的实验与数值计算结果比较58-63
• 4.6.1 泵与透平计算结果数据记录和整理58-59
• 4.6.2 泵工况下实验与计算的外特性曲线对比59-61
• 4.6.3 PAT工况下实验与计算的外特性对比61-63
• 4.7 变转速下PAT水力特性的研究63-72
• 4.7.1 不同转速下PAT流量-水头变化曲线63-65
• 4.7.2 不同转速下PAT流量-轴功率变化曲线65-67
• 4.7.3 不同转速下PAT流量-效率变化曲线67-68
• 4.7.4 不同转速下PAT的流量-理论水头变化曲线68-70
• 4.7.5 不同转速下PAT总效率随水力效率的变化曲线70-72
• 4.8 额定转速下PAT内部的水头损失分布72-73
• 4.9 本章小结73-75
• 第五章 泵与透平性能预测公式的研究75-85
• 5.1 泵作透平选型的研究现状75-76
• 5.2 泵工况下的叶轮和蜗壳匹配对特性的影响76-77
• 5.2.1 泵叶轮几何参数对泵特性的影响76
• 5.2.2 蜗壳几何参数对泵特性的影响76-77
• 5.3 PAT工况下叶轮和压水室匹配对特性的影响77-82
• 5.3.1 研究意义77-78
• 5.3.2 PAT叶轮和蜗壳特性方程推导78-82
• 5.4 泵作透平性能预测公式的验证82-84
• 5.5 本章小结84-85
• 结论与展望85-87
• 结论85-86
• 展望86-87
• 参考文献87-92
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果92-93
• 致谢93-94
• 附件94

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本文编号：357055