【摘要】：離心泵反轉(zhuǎn)作透平因具有成本低,運(yùn)行維護(hù)成本少,占地空間小等經(jīng)濟(jì)技術(shù)優(yōu)勢,在化工、石油等工業(yè)余能回收系統(tǒng),及微型(小于100 kW)水能開發(fā)中得到廣泛地應(yīng)用。目前離心泵反轉(zhuǎn)作透平大多采用直接選用原型泵反轉(zhuǎn)的型式,受空間尺寸的限制,單級單吸離心泵通常沒有可調(diào)節(jié)的活動導(dǎo)葉,泵作透平時(shí)液體直接從蝸殼出口流向葉輪進(jìn)口;由于泵葉輪設(shè)計(jì)時(shí)僅考慮泵運(yùn)行工況并未考慮透平運(yùn)行工況,葉片進(jìn)、出口安放角及葉型不能較好地匹配透平運(yùn)行工況,普遍存在透平運(yùn)行效率不高且高效區(qū)較窄的問題;且泵反轉(zhuǎn)運(yùn)行性能通常未知,造成透平運(yùn)行的參數(shù)難以預(yù)測,導(dǎo)致透平選型不準(zhǔn)。因此,開展性能可預(yù)測的泵作透平專用葉輪的研究對提高現(xiàn)有壓力能利用率,解決小功率液體壓力能開發(fā)利用的關(guān)鍵技術(shù)問題具有重要的意義。本文綜合采用理論分析、數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法圍繞離心泵作透平專用葉輪的設(shè)計(jì)方法開展研究。本文的主要工作和創(chuàng)造性成果有:(1)總結(jié)了國內(nèi)外泵作透平選型、性能提高與運(yùn)行穩(wěn)定性的研究現(xiàn)狀和研究進(jìn)展,歸納了泵正反轉(zhuǎn)性能參數(shù)的換算關(guān)系等。(2)研究了數(shù)值計(jì)算中徑向間隙分布、網(wǎng)格數(shù)、湍流模型等關(guān)鍵因素對泵作透平外特性的影響規(guī)律;搭建了透平試驗(yàn)臺,對泵作透平開展試驗(yàn);對比數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了泵作透平數(shù)值計(jì)算方法。(3)首次提出了采用透平專用葉輪設(shè)計(jì)方法以改善泵作透平的效率。給出了非原型斷面按照面積相等原則,計(jì)算蝸殼螺旋進(jìn)口斷面當(dāng)量圓半徑的方法;首次推導(dǎo)了蝸殼幾何參數(shù)與葉輪進(jìn)口速度矩的關(guān)系表達(dá)式。對原型泵葉輪與透平專用葉輪進(jìn)行同臺試驗(yàn),對比試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了透平專用葉輪能夠顯著提高泵作透平的運(yùn)行效率,且高效區(qū)寬。(4)理論分析了葉片進(jìn)口安放角、葉片進(jìn)口寬度、葉輪進(jìn)口直徑對透平高效點(diǎn)流量的影響規(guī)律,并通過數(shù)值計(jì)算,證實(shí)了導(dǎo)出的葉片幾何參數(shù)與設(shè)計(jì)計(jì)算流量關(guān)系表達(dá)式的正確性。通過數(shù)值計(jì)算系統(tǒng)地研究了葉片進(jìn)口安放角、出口安放角、葉片進(jìn)、出口安放角變化規(guī)律、葉輪進(jìn)口直徑、葉片進(jìn)口寬度以及葉片數(shù)等關(guān)鍵因素對液力透平性能的影響,給出了透平專用葉輪幾何參數(shù)的確定方法,為專用葉輪的設(shè)計(jì)提供了參考。(5)將論文提出的透平專用葉輪設(shè)計(jì)方法運(yùn)用于中、高比轉(zhuǎn)速離心泵作透平,開發(fā)了對應(yīng)比轉(zhuǎn)速的透平專用葉輪,分析了不同比轉(zhuǎn)速透平專用葉輪葉片進(jìn)口安放角的最佳取值范圍,并進(jìn)行樣機(jī)性能試驗(yàn)。結(jié)果表明:專用葉輪分別將比轉(zhuǎn)速為66、132和193的液力透平最高效率提高7.93%、8.07%和5.45%,專用葉輪提升液力透平效果顯著。(6)總結(jié)了不同比轉(zhuǎn)速、不同進(jìn)口安放角時(shí)的透平高效點(diǎn)理論設(shè)計(jì)流量與數(shù)值計(jì)算結(jié)果,對比得到兩者的相對偏差在5%范圍內(nèi);表明推導(dǎo)的葉片進(jìn)口安放角與設(shè)計(jì)流量之間的關(guān)系表達(dá)式能夠?qū)崿F(xiàn)對透平專用葉輪高效點(diǎn)流量的有效預(yù)測。創(chuàng)造性地提出了透平實(shí)際水頭的理論預(yù)測方法。(7)試驗(yàn)研究了不同比轉(zhuǎn)速液力透平專用葉輪在變轉(zhuǎn)速下的外特性變化規(guī)律,結(jié)果表明不同轉(zhuǎn)速下試驗(yàn)得到的性能參數(shù)與采用比例定律計(jì)算值有一定的差異,運(yùn)行偏離額定轉(zhuǎn)速越遠(yuǎn),兩者偏差越大;數(shù)值模擬計(jì)算值與采用比例定律計(jì)算值吻合較好,但CFD不能完全客觀反映變速對效率的影響。分析了變速對專用葉輪各分效率的影響規(guī)律:降速對容積效率呈負(fù)影響,一定范圍內(nèi)升速對機(jī)械效率呈非線性正向影響的規(guī)律。闡明了透平偏離額定工況越遠(yuǎn),效率下降越明顯的運(yùn)行規(guī)律,定性地提出了透平變工況運(yùn)行時(shí)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方案,為透平變工況運(yùn)行提供了有益的參考。
【圖文】：

義發(fā)展，成為全球關(guān)注的要點(diǎn)之一。在石有高壓能量的液體直接通過減壓閥等裝透平能夠利用液體壓能帶動其他工作機(jī)的回收利用[6-11]。離心泵反轉(zhuǎn)作透平（計(jì)成熟、成本低、安裝維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)于具備一定水力條件的偏遠(yuǎn)地區(qū)，采取減少運(yùn)行維護(hù)成本[20-26]。離心泵作透平如圖 1-1 所示，離心泵葉輪是具有高反用，，壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，驅(qū)動其它耗能

泵作透平試驗(yàn)臺簡圖
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TH311

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2591854