【摘要】：隨著化石能源的日益枯竭,除了開發(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,這部分能源不僅沒能被很好利用,還會造成環(huán)境污染,企業(yè)生產(chǎn)成本增加,同時也不符合國家所提出的可持續(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)競爭力。工程實際中,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,機組的穩(wěn)定性變差,常出現(xiàn)振動噪聲等情況,甚至影響透平機組的壽命,而對液力透平在含氣工況下的研究很少有文獻報道。目前對液力透平氣液兩相條件下的研究主要存在的問題有:一、現(xiàn)有氣液兩相條件下的液力透平基本方程沒有考慮氣體的壓縮性;二、對氣液兩相條件下液力透平內(nèi)部流動機理掌握尚不成熟;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,然后利用流場計算與理論分析相結(jié)合的方法對氣液兩相條件下液力透平內(nèi)部的流動機理展開研究,同時分析導(dǎo)葉對液力透平內(nèi)部流動機理的影響,通過上述研究以求為工程實踐提供理論基礎(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)。本文主要研究內(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出口速度三角形,進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)部流動機理研究采用數(shù)值計算的方法對比轉(zhuǎn)速為55.7的離心泵反轉(zhuǎn)作液力透平在不同流量、不同含氣率下進行研究,分析含氣率對液力透平外特性和各過流部件內(nèi)流場的影響規(guī)律,通過研究得到了在氣液兩相條件下液力透平的外特性曲線、各過流部件內(nèi)兩相介質(zhì)的運動特性、在不同含氣率下流場(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)域時隨著含氣率的增加效率下降較快,在各個過流部件內(nèi)含氣率對葉輪內(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)葉對液力透平內(nèi)部流動機理的影響通過在液力透平葉輪進口添加一組負(fù)曲率導(dǎo)葉,設(shè)計出含導(dǎo)葉的水力模型。研究含氣工況下導(dǎo)葉對液力透平外特性和各過流部件內(nèi)流場的影響規(guī)律,并通過與無導(dǎo)葉時液力透平外特性、內(nèi)流場以及水力損失等進行對比分析。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,過流部件內(nèi)流動較為紊亂,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)的流動情況均得到改善,水力損失減少,最優(yōu)效率點的效率要明顯高于未添加導(dǎo)葉的最優(yōu)效率點的效率值,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,減少水力損失,還能提高液力透平效率和運行時的穩(wěn)定性。
【學(xué)位授予單位】：西華大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TE65;TQ051
【圖文】：

目前主要存在的問題是對液力透平內(nèi)氣液兩相流動過程和機理掌握不成熟。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通過葉輪旋轉(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)為動力源時，徑流式離心泵此時為原動機帶動與其相連的發(fā)電機、風(fēng)機、泵或者壓縮機等工作，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，離心泵的進口就是液力透平的出口，離心泵的出口就是液力透平的進口，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，高壓液流從離心泵出口進入，將所攜帶的壓力能轉(zhuǎn)化為透平的軸功，用于驅(qū)動與透平相連的旋轉(zhuǎn)機械，從而實現(xiàn)了壓力能的回收利用。

目前主要存在的問題是對液力透平內(nèi)氣液兩相流動過程和機理掌握不成熟。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通過葉輪旋轉(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)為動力源時，徑流式離心泵此時為原動機帶動與其相連的發(fā)電機、風(fēng)機、泵或者壓縮機等工作，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，離心泵的進口就是液力透平的出口，離心泵的出口就是液力透平的進口，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，高壓液流從離心泵出口進入，將所攜帶的壓力能轉(zhuǎn)化為透平的軸功，用于驅(qū)動與透平相連的旋轉(zhuǎn)機械，從而實現(xiàn)了壓力能的回收利用。

圖 2.1 流體運動控制面示意圖 圖 2.2 液力透平進出口速度三角形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和葉輪進口半徑 R2。它們的絕對速度為 C1、C2，因為絕對速度的軸面分速度（m1 m2c 、 c）不產(chǎn)生動量矩，故只有絕對速度的圓周分速度（u 1 u2c 、 c）產(chǎn)生動量矩，所以葉輪進口 1-1'區(qū)域內(nèi)流體的動量矩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)流體的動量矩2-2 t u1 1L ρQ dtc R′= （2.3）由上面兩式，dt 時間內(nèi)動量矩變化為( )2-2 1-1 t u 1 1 u2 2dL L L ρQ dt c R c R′ ′= = （2.4）

【參考文獻】

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本文編號：2800658