【摘 要】
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在小型水电、石油裂化和航空航天等领域,存在大量的高压液体,高效回收利用这部分液体压力能具有重要的现实意义和经济价值。液力透平是回收利用液体压力能的一种装置,其中泵反转作液力透平是目前广泛应用的机型。其不仅具有结构紧凑、制造工艺简单、安装维护方便等优点,更具有研发周期短、使用寿命长的优势。目前对适用于小流量、高水头的离心泵作透平研究较多,对适用于大流量、中低水头的混流泵作透平研究却鲜有报道。国内外学
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在小型水电、石油裂化和航空航天等领域,存在大量的高压液体,高效回收利用这部分液体压力能具有重要的现实意义和经济价值。液力透平是回收利用液体压力能的一种装置,其中泵反转作液力透平是目前广泛应用的机型。其不仅具有结构紧凑、制造工艺简单、安装维护方便等优点,更具有研发周期短、使用寿命长的优势。目前对适用于小流量、高水头的离心泵作透平研究较多,对适用于大流量、中低水头的混流泵作透平研究却鲜有报道。国内外学者对复合式叶轮优化设计的研究主要集中在低比转速的离心泵,对混流泵作透平复合式叶轮的优化设计研究较少。因此研究混流泵作透平的设计方法与优化设计对提高混流泵作透平效率、推广透平应用具有重要的工程价值和经济意义。本文采用数值模拟、试验和理论分析相结的方法,以两种不同比转速的混流泵作透平为研究对象,对分流叶片及其偏置设计对混流泵作透平内部流动特性的影响展开研究,为混流泵作透平复合式叶轮的优化设计提供了参考依据。本文的主要工作内容和创新性如下:1.设计并制造了比转速为186的混流泵作透平试验样机,搭建混流泵作透平专用试验台并对叶片数为6的常规叶轮和主、分流叶片数均为6的复合式叶轮进行外特性测试。研究了数值计算过程中网格数、湍流模型等因素对混流泵作透平外特性的影响。通过常规叶轮和复合式叶轮的数值计算结果和实验数据相对比,验证了数值计算的准确性,为混流泵作透平复合式叶轮的结构研究提供了参考。2.以一比转速数为186的混流泵作透平的复合式叶轮为研究对象,选择分流叶片的周向偏置度、叶片数、出口安放角及出口直径4因素,每个因素各取3水平,制定了正交试验方案。采用流场模拟软件ANSYS-CFX对混流泵作透平进行全流场数值模拟,得出有无分流叶片下混流泵作透平的湍动能、速度流线、外特性及水力损失分布。经过极差分析得出各因素对效率影响的主次顺序。3.通过对分流叶片的周向偏置度、叶片数、出口安放角和出口直径四个因素对混流泵作透平流动特性影响展开研究,得出以下结论:1)分流叶片越偏向吸力面时,混流泵作透平的水力效率越高,高效区越宽,水力性能更佳。对于不同比转速的混流泵作透平,分流叶片的周向偏置度存在一个最佳区间,使透效率达到最高,该最佳区间为0.4θ～0.6θ。2)主、分流叶片数均为4时,复合式叶轮进口处的速度流线较柔顺,液体的流动状态贴合主叶片和分流叶片的弯曲形状。叶轮局部出现漩涡,分布区域在主叶片的压力面。主、分流叶片数均超过7后,高速区域多集中在叶轮进口处和分流叶片的压力面。3)对于比转速为186的混流泵作透平,分流叶片出口直径为0.9D2,透平的效率达到最高;对于比转速为210的混流泵作透平,分流叶片出口直径为0.85D2,透平的效率达到最高。4)随着主、分流叶片出口安放角增大,混流泵作透平效率一直减小,当出口安放角为27.5°时,透平效率达到最高值。两款复合式叶轮的高效点并未随着分流叶片出口角的增大而向小流量工况或大流量工况产生偏移,分别保持在160 m~3/h、220m~3/h。4.创新性地设计出双分流叶片的新型复合式叶轮,通过对双分流叶片叶轮进行三维建模、CFD数值计算、外特性、内流场和水力损失分布进行分析。结论如下:双分流叶片复合式叶轮混流泵作透平比常规叶轮的混流泵作透平的效率更高,高效区更宽,水力性能更佳。分流叶片的合理偏置有效地降低了叶片两侧和透平进口湍动能的大小。在复合式叶轮中,主、分流叶片的间隔排列方式比主、中、短分流叶片的间隔排列方式更能改善叶轮内部流动情况。
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