【摘要】：隨著化石能源的日益枯竭,除了開(kāi)發(fā)新能源,還要有效利用現(xiàn)有能源,其主要措施就是提高現(xiàn)有能源的利用率。在石油化工等生產(chǎn)領(lǐng)域產(chǎn)生的高溫高壓流體所攜帶的壓力能常常被利用減壓閥減壓或直接排放在環(huán)境中,這部分能源不僅沒(méi)能被很好利用,還會(huì)造成環(huán)境污染,企業(yè)生產(chǎn)成本增加,同時(shí)也不符合國(guó)家所提出的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。而使用液力透平就能夠很好的回收這部分能量,提高能源利用率,減少生產(chǎn)成本,提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。工程實(shí)際中,液力透平在回收石油化工、合成氨等行業(yè)的高壓液體時(shí)往往含有一定量的氣體,氣體的存在將導(dǎo)致液力透平能量回收率降低,機(jī)組的穩(wěn)定性變差,常出現(xiàn)振動(dòng)噪聲等情況,甚至影響透平機(jī)組的壽命,而對(duì)液力透平在含氣工況下的研究很少有文獻(xiàn)報(bào)道。目前對(duì)液力透平氣液兩相條件下的研究主要存在的問(wèn)題有:一、現(xiàn)有氣液兩相條件下的液力透平基本方程沒(méi)有考慮氣體的壓縮性;二、對(duì)氣液兩相條件下液力透平內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理掌握尚不成熟;三、含氣工況下液力透平水力性能較差�；诖�,本文將首先完善氣液兩相條件下液力透平的基本方程,然后利用流場(chǎng)計(jì)算與理論分析相結(jié)合的方法對(duì)氣液兩相條件下液力透平內(nèi)部的流動(dòng)機(jī)理展開(kāi)研究,同時(shí)分析導(dǎo)葉對(duì)液力透平內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理的影響,通過(guò)上述研究以求為工程實(shí)踐提供理論基礎(chǔ)和為后續(xù)多相條件下液力透平的研究提供一定的參考依據(jù)。本文主要研究?jī)?nèi)容和成果如下:(1)氣液兩相條件下液力透平基本方程的完善氣液兩相條件下存在兩相速度分離和氣體的可壓縮性,現(xiàn)有的氣液兩相條件下液力透平的基本方程均沒(méi)有考慮氣體的壓縮性。本文將在已有純液條件下液力透平基本方程的基礎(chǔ)上,通過(guò)考慮氣體的壓縮性,從能量轉(zhuǎn)換與守恒的基本原理出發(fā),利用歐拉方程和葉輪進(jìn)出口速度三角形,進(jìn)一步完善了氣液兩相條件下液力透平的基本方程。(2)氣液兩相條件下液力透平內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理研究采用數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)比轉(zhuǎn)速為55.7的離心泵反轉(zhuǎn)作液力透平在不同流量、不同含氣率下進(jìn)行研究,分析含氣率對(duì)液力透平外特性和各過(guò)流部件內(nèi)流場(chǎng)的影響規(guī)律,通過(guò)研究得到了在氣液兩相條件下液力透平的外特性曲線、各過(guò)流部件內(nèi)兩相介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)特性、在不同含氣率下流場(chǎng)(速度、壓力)的分布規(guī)律以及水力損失特性等。發(fā)現(xiàn)在大流量區(qū)域時(shí)隨著含氣率的增加效率下降較快,在各個(gè)過(guò)流部件內(nèi)含氣率對(duì)葉輪內(nèi)的水力損失影響最大;隨著含氣率的提高,葉輪內(nèi)流動(dòng)變得不穩(wěn)定且出現(xiàn)旋渦,葉輪內(nèi)的氣體體積分布變化越快。(3)氣液兩相條件下導(dǎo)葉對(duì)液力透平內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理的影響通過(guò)在液力透平葉輪進(jìn)口添加一組負(fù)曲率導(dǎo)葉,設(shè)計(jì)出含導(dǎo)葉的水力模型。研究含氣工況下導(dǎo)葉對(duì)液力透平外特性和各過(guò)流部件內(nèi)流場(chǎng)的影響規(guī)律,并通過(guò)與無(wú)導(dǎo)葉時(shí)液力透平外特性、內(nèi)流場(chǎng)以及水力損失等進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明添加導(dǎo)葉前蝸殼和葉輪流道內(nèi)壓力分布和氣相分布不均勻,且含氣率越高均勻性越差,過(guò)流部件內(nèi)流動(dòng)較為紊亂,且形成了旋渦區(qū)域;而添加導(dǎo)葉后,在較高含氣率工況下葉輪流道內(nèi)壓力分布也非常均勻,氣體分布的不均勻性和混合介質(zhì)的流動(dòng)情況均得到改善,水力損失減少,最優(yōu)效率點(diǎn)的效率要明顯高于未添加導(dǎo)葉的最優(yōu)效率點(diǎn)的效率值,但隨著含氣率的提高,含導(dǎo)葉的液力透平效率比未添加導(dǎo)葉的透平效率下降的要快。說(shuō)明添加導(dǎo)葉不僅能改善氣液兩相條件下液力透平內(nèi)部流動(dòng),減少水力損失,還能提高液力透平效率和運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性。
【學(xué)位授予單位】：西華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TE65;TQ051
【圖文】：

目前主要存在的問(wèn)題是對(duì)液力透平內(nèi)氣液兩相流動(dòng)過(guò)程和機(jī)理掌握不成熟。1.3.1 泵反轉(zhuǎn)作液力透平研究現(xiàn)狀利用泵反轉(zhuǎn)作液力透平（Pumps as Turbines，簡(jiǎn)稱 PAT）是液力透平的一種重要形式, 這種形式的液力透平在壓力能回收領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。泵根據(jù)其葉輪的結(jié)構(gòu)形式通常可劃分為軸流式、混流式以及徑流式，而利用泵反轉(zhuǎn)作液力透平一般采用徑流式或混流式。徑流式離心泵在工作時(shí)通過(guò)葉輪旋轉(zhuǎn)將軸功轉(zhuǎn)化為液流介質(zhì)的能量，而當(dāng)高壓液流介質(zhì)為動(dòng)力源時(shí)，徑流式離心泵此時(shí)為原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)與其相連的發(fā)電機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵或者壓縮機(jī)等工作，因此在高壓液流的作用下離心泵反轉(zhuǎn)就是液力透平[11-13]。當(dāng)徑流式離心泵反轉(zhuǎn)作透平時(shí)，離心泵的進(jìn)口就是液力透平的出口，離心泵的出口就是液力透平的進(jìn)口，如下圖 1.1，1.2 所示為徑流式離心泵正反轉(zhuǎn)示意圖。泵反轉(zhuǎn)作透平時(shí)，高壓液流從離心泵出口進(jìn)入，將所攜帶的壓力能轉(zhuǎn)化為透平的軸功，用于驅(qū)動(dòng)與透平相連的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，從而實(shí)現(xiàn)了壓力能的回收利用。

目前主要存在的問(wèn)題是對(duì)液力透平內(nèi)氣液兩相流動(dòng)過(guò)程和機(jī)理掌握不成熟。1.3.1 泵反轉(zhuǎn)作液力透平研究現(xiàn)狀利用泵反轉(zhuǎn)作液力透平（Pumps as Turbines，簡(jiǎn)稱 PAT）是液力透平的一種重要形式, 這種形式的液力透平在壓力能回收領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。泵根據(jù)其葉輪的結(jié)構(gòu)形式通�？蓜澐譃檩S流式、混流式以及徑流式，而利用泵反轉(zhuǎn)作液力透平一般采用徑流式或混流式。徑流式離心泵在工作時(shí)通過(guò)葉輪旋轉(zhuǎn)將軸功轉(zhuǎn)化為液流介質(zhì)的能量，而當(dāng)高壓液流介質(zhì)為動(dòng)力源時(shí)，徑流式離心泵此時(shí)為原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)與其相連的發(fā)電機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵或者壓縮機(jī)等工作，因此在高壓液流的作用下離心泵反轉(zhuǎn)就是液力透平[11-13]。當(dāng)徑流式離心泵反轉(zhuǎn)作透平時(shí)，離心泵的進(jìn)口就是液力透平的出口，離心泵的出口就是液力透平的進(jìn)口，如下圖 1.1，1.2 所示為徑流式離心泵正反轉(zhuǎn)示意圖。泵反轉(zhuǎn)作透平時(shí)，高壓液流從離心泵出口進(jìn)入，將所攜帶的壓力能轉(zhuǎn)化為透平的軸功，用于驅(qū)動(dòng)與透平相連的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，從而實(shí)現(xiàn)了壓力能的回收利用。

圖 2.1 流體運(yùn)動(dòng)控制面示意圖 圖 2.2 液力透平進(jìn)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'與 1-1'區(qū)域內(nèi)的流體體積相等，由于 dt 足夠小，相應(yīng)的 2-2'與 1-1'區(qū)域也會(huì)足夠小，它們到透平主軸線可近似認(rèn)為等于葉輪出口半徑 R1和葉輪進(jìn)口半徑 R2。它們的絕對(duì)速度為 C1、C2，因?yàn)榻^對(duì)速度的軸面分速度（m1 m2c 、 c）不產(chǎn)生動(dòng)量矩，故只有絕對(duì)速度的圓周分速度（u 1 u2c 、 c）產(chǎn)生動(dòng)量矩，所以葉輪進(jìn)口 1-1'區(qū)域內(nèi)流體的動(dòng)量矩1-1 u t u2 2L mυ r ρQ dtc R′= Δ = （2.2）葉輪出口 2-2'區(qū)域內(nèi)流體的動(dòng)量矩2-2 t u1 1L ρQ dtc R′= （2.3）由上面兩式，dt 時(shí)間內(nèi)動(dòng)量矩變化為( )2-2 1-1 t u 1 1 u2 2dL L L ρQ dt c R c R′ ′= = （2.4）

【參考文獻(xiàn)】

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3 王春林;曾成;楊曉勇;彭海菠;劉棟;;雙吸泵正反轉(zhuǎn)內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬及性能預(yù)測(cè)[J];排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào);2015年07期

4 楊軍虎;許亭;;氣液兩相介質(zhì)的多級(jí)液力透平特性[J];蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào);2015年02期

5 史廣泰;楊軍虎;;液力透平進(jìn)口截面對(duì)水力損失及速度矩的影響[J];西華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2015年01期

6 楊軍虎;張玉鶴;;氣液兩相介質(zhì)時(shí)液力透平軸向力分析[J];蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào);2014年05期

7 王曉暉;楊軍虎;史鳳霞;;能量回收液力透平的研究現(xiàn)狀及展望[J];排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào);2014年09期

8 史廣泰;楊軍虎;;離心泵用作液力透平葉輪出口滑移系數(shù)的計(jì)算方法[J];農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào);2014年13期

9 楊軍虎;張玉鶴;;氣液兩相介質(zhì)時(shí)液力透平徑向力分析[J];西華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2014年04期

10 楊軍虎;龔朝暉;夏書(shū)強(qiáng);羅凱凱;李海龍;;導(dǎo)葉對(duì)液力透平性能影響的數(shù)值分析[J];排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào);2014年02期

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2 夏書(shū)強(qiáng);氣液兩相介質(zhì)下液力透平基本方程和換算關(guān)系曲線的研究[D];蘭州理工大學(xué);2013年

3 龔朝暉;導(dǎo)葉對(duì)液力透平性能及運(yùn)行穩(wěn)定性影響的研究[D];蘭州理工大學(xué);2013年

本文編號(hào)：2800658