| 题名 | 液力透平叶轮内速度滑移机理及S型叶片的水力特性 |
| 作者 | 王晓晖 |
| 答辩日期 | 2019 |
| 导师 | 杨军虎 ; 程效锐 |
| 关键词 | 能量回收 液力透平 速度滑移 叶道涡 优化设计 |
| 学位名称 | 博士 |
| 英文摘要 | 液力透平可回收生产生活中的液体余压能量,将液体压力能转换为旋转机械能加以利用,在石油化工、煤化工、海水淡化、钢铁冶金等工艺流程中有广泛应用。但工业应用发现,该装置存在选型不准、效率低、运行不稳定等问题。究其原因,液力透平内部流动机理不清,速度滑移、通道涡等特殊流动现象对能量转换及运行稳定性的影响未曾得知,这成为阻碍液力透平性能预测及优化设计的屏障。基于此,本课题开展了液力透平叶轮内速度滑移机理,以及基于速度滑移的叶片水力模型优化等方面的研究。具体内容如下:(1)以离心泵反转液力透平(Pumps as Turbines,简称PAT)为研究对象,通过理论分析与计算流体动力学(Computatinal Fluid Dynamic,简称CFD)数值模拟,分析了泵工况与透平工况的速度滑移机理,对比了两工况的滑移系数,建立了考虑滑移系数时泵与透平性能参数间的比例关系。经试验验证,该关系式比Stepanoff,Alatorre-Frenk,Sharma等方法误差更小,可为PAT的选型设计和性能预测提供理论指导。(2)基于势流理论,在考虑速度滑移的条件下,通过蜗壳与叶轮协同水力设计,提出了液力透平大进口角叶片方案,构建了S型叶片的叶轮水力模型。以80-50-315液力透平为研究对象,采用CFD数值模拟计算了叶片进口角分别为30°、60°、90°、120°、150°、175°的6种不同叶型液力透平的能量特性,对比发现,进口角为90°~150°时,液力透平回收功率较高,进口角为120°时,液力透平回收功率最高。进一步数值模拟发现,S型叶片液力透平比后弯叶片及离心泵反转透平的回收效率高。(3)采用RNG k-ε湍流模型对S型叶片液力透平内流场进行定常计算,分析了速度滑移诱发的大尺度叶道涡的结构特征。研究发现:叶道涡主要发生于叶轮进口处,造成此处速度压力分布紊乱。大流量时叶道涡区域较小,强度较弱。进一步采用分离涡模型(DES)对该透平不同工况的非定常计算发现:叶道涡的结构随时间无明显变化,但涡核的旋涡强度有明显的周期性变化,变化周期为叶轮旋转周期的0.5倍。叶道涡对液力透平内压力脉动有一定影响。(4)采用CFD数值模拟方法,通过为S型叶片液力透平设置不同叶片数与叶片包角等方案,分析了叶间流道收缩角对速度滑移的影响,建立了滑移系数与叶间流道收缩角的二次函数关系;研究了转速对液力透平速度滑移的影响,得到了滑移系数与转速的三次函数关系。为验证所提出的S型叶片液力透平的水力性能,通过对80-50-315 S型叶片、后弯叶片及泵反转液力透平的外特性对比试验发现,在所测试工况范围内,S叶片液力透平回收效率最高,比泵反转透平平均高约3%。以上研究成果可为液力透平选型、性能预测、优化设计等方面的理论研究及工程应用提供一定的理论依据。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 124 |
| URL标识 | 查看原文 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.lut.edu.cn/handle/2XXMBERH/89941]  |
| 专题 | 能源与动力工程学院 |
| 作者单位 | 兰州理工大学 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 王晓晖. 液力透平叶轮内速度滑移机理及S型叶片的水力特性[D]. 2019. |
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