卷盤式噴灌機是一種適合我國國情,能適應(yīng)大、中、小不同規(guī)模地塊高效作業(yè)的集約化灌溉裝備,具有適應(yīng)性強、機動方便、自動化程度高、單位面積設(shè)備投資低等優(yōu)勢。近年來,我國卷盤式噴灌機產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,但我國卷盤式噴灌機品種規(guī)格偏少,還沒有真正形成產(chǎn)品系列,在關(guān)鍵技術(shù)研究、產(chǎn)品品質(zhì)和性能等方面與國外還存在很大差距。特別是大量國產(chǎn)卷盤式噴灌機專用水渦輪還是采用歐洲40多年前的技術(shù),效率低的問題尤為突出。國外先進水渦輪技術(shù)雖有少量引進,但優(yōu)化設(shè)計、內(nèi)部流動機理等基礎(chǔ)理論研究仍是空白。由于國外沒有研究文獻公開,使得研究的難度很大。針對以上問題,本文在國家重點研發(fā)計劃項目課題(2016YFC0400104-04)“基于清潔能源驅(qū)動的水肥一體化卷盤式噴灌機研制”和江蘇省農(nóng)業(yè)科技支撐計劃項目(BE2012385) “低能耗自動卷盤式智能農(nóng)業(yè)灌溉裝備研究與開發(fā)”的資助下開展工作,主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點有:1.基本掌握了沖擊式進口結(jié)構(gòu)型式專用水渦輪的理論基礎(chǔ)和基本特性。針對國外沖擊式進口專用水渦輪的特殊結(jié)構(gòu)型式,從理論分析、數(shù)值模擬和試驗驗證等方面,研究了專用水渦輪的基礎(chǔ)理論。發(fā)現(xiàn)特殊結(jié)構(gòu)專用水渦輪中噴嘴射流主體段的相似性和線性擴散規(guī)律均被破壞,射流是一種非自由的淹沒射流;轉(zhuǎn)輪葉片的型線彎曲程度對受力有影響,葉片曲率大的面受力大,曲率小的面受力小;尾水管不同截面的速度分布在彎頭附近呈現(xiàn)內(nèi)側(cè)流速大于外側(cè)流速和渦帶隨流量減少而加長加大等現(xiàn)象。采用CFD分析預(yù)測了國外專用水渦輪的外特性,并通過建立的水渦輪性能試驗裝置進行試驗驗證。不同轉(zhuǎn)速下水渦輪軸功率都有極大值,水頭越高,功率的極值向高速偏移。國外水渦輪最高效率達34%,性能預(yù)測與試驗的最大誤差在5個百分點以內(nèi)。2.首次采用負載分析法建立了專用水渦輪軸功率的確定方法。通過分析牽引PE管和噴頭車的各種地面阻力、牽引平移速度、盤繞層、轉(zhuǎn)動慣量的組成等負載側(cè)的變化因素,掌握了卷盤的需求牽引力、牽引力矩、轉(zhuǎn)動力矩和功率的變化規(guī)律。分析發(fā)現(xiàn)地面對PE管的滑動摩擦阻力遠大于對噴頭車的滾動摩擦阻力;轉(zhuǎn)動力矩遠小于PE管全部伸展在地面時的牽引力矩,卷盤轉(zhuǎn)矩可用牽引力矩估算;發(fā)明了卷盤式噴灌機傳動系統(tǒng)效率試驗裝置,通過試驗,建立了卷盤的需求功率與水渦輪需求軸功率之間的關(guān)系,獲得了水渦輪軸功率設(shè)計參數(shù),在常用平移速度40m/h以下時,在摩擦系數(shù)分別取0.8和0.5時,75-300型卷盤式噴灌機專用水渦輪軸功率分別應(yīng)不小于195W和125W。3.發(fā)現(xiàn)并掌握了影響專用水渦輪效率的顯著因素和內(nèi)流機理。通過CFD對正交試驗產(chǎn)生的18個方案進行模擬試驗和性能預(yù)測,并經(jīng)極差和方差分析,獲得各因素對水渦輪效率的影響程度依次為出口直徑、葉片出口傾斜角、葉片數(shù)、葉片寬度、進口安放角和葉緣間隙等,采用多重分析法發(fā)現(xiàn)出口直徑因素的3與1、2水平之間和葉片出口傾斜角的1與3水平之間呈極顯著差異。對具有顯著影響因素進行的內(nèi)流分析表明,出口直徑越大,水流從葉片流出時產(chǎn)生的撞擊損失越大,且尾水管中心的低壓區(qū)越大,越易產(chǎn)生渦帶,造成損失增加;出口傾角越大,對水流的導(dǎo)向作用越強,在葉片出口處的渦旋越少,水流能順暢流入尾水管,減少因渦旋產(chǎn)生的損耗。對18組方案中相對性能較優(yōu)的6組方案經(jīng)3D打印造型的轉(zhuǎn)輪進行實體試驗,與數(shù)值模擬預(yù)測的結(jié)果基本一致,流量在15m3/h～22.5m3/h范圍內(nèi)最大誤差在6.3%以內(nèi)。18個方案中最好的14號方案在17.5m3/h工況下的效率為38%,比國外水渦輪高6.4個百分點。4.建立了專用水渦輪轉(zhuǎn)輪幾何參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計方法。采用GA_BP優(yōu)化算法,以水渦輪正交試驗設(shè)計所得多組參數(shù)作為優(yōu)化的初始輸入,獲得了優(yōu)化的轉(zhuǎn)輪幾何參數(shù),解決了正交試驗存在后續(xù)試驗工作效率低等問題。通過原型水渦輪與優(yōu)化的水渦輪內(nèi)流比較,發(fā)現(xiàn)尾水管渦帶的大小和長度與葉片出口傾角的大小有密切關(guān)系,傾角越大,葉片對水流的約束和導(dǎo)向作用大,流速降低,尾水管不易形成渦帶;徑向截面壓力分布和葉片工作面受力分布表明,優(yōu)化的水渦輪除噴嘴射流正對的流道外,其他區(qū)域近似等壓狀態(tài),壓能集中在流道間恢復(fù);葉片進口葉形彎曲程度對葉片受力影響較大,曲率大,葉片受力更加集中,優(yōu)化的水渦輪轉(zhuǎn)輪扭矩比原型高出約26%,比14號高出10%;優(yōu)化的水渦輪設(shè)計工況下的實測效率達42.5%,比原型高8.5個百分點,比14號高3個百分點,優(yōu)化水渦輪的整體性能明顯提高。5.基本掌握了專用水渦輪動靜干涉作用機理和壓力脈動特性。采用CFD非定常計算,模擬了專用水渦輪噴嘴前后、轉(zhuǎn)輪外緣、尾水管進口、尾水管彎頭和尾水管出口 13個不同監(jiān)測點的壓力脈動,通過時域和頻譜分析,掌握了專用水渦輪的壓力脈動特性和動靜干涉現(xiàn)象對轉(zhuǎn)輪葉片做功的影響。研究表明,專用水渦輪各測點的壓力脈動均呈現(xiàn)出穩(wěn)定的周期性,在轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)一周的過程中,出現(xiàn)的波峰與波谷數(shù)都與轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)相同。動靜干涉作用時,原型水渦輪葉片達到受力峰值較為緩慢,進入流道的水流速度矢量方向混亂,當(dāng)射流不正對流道時,水流分叉,葉片凹面流速加快,造成凹面壓力減小,作用力也會隨之減小;而優(yōu)化的水渦輪由于葉型彎曲,接受射流沖擊的反作用力強,葉片受力快而集中,在動靜干涉作用的整個過程,進入流道的水流速度矢量順著葉片凸面向葉片出口流動,凹面的流速很低,故凹面壓力將會增大,作用力也會隨之增大。
【學(xué)位單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：S277.94
【部分圖文】：

滿足一定負載條件下過流水力損失（水頭）最小，這與水輪機和能量回收液力透逡逑平的要求有很大區(qū)別。逡逑目前，國產(chǎn)水渦輪只有類斜擊和類切擊兩種結(jié)構(gòu)，如圖１－３所示，但其效率逡逑低的問題非常突出，研宄卻非常少。逡逑ａ）邐ｂ）逡逑圖１－３國產(chǎn)專用水渦輪結(jié)構(gòu)逡逑ａ）類斜擊式結(jié)構(gòu)邐ｂ）類切擊式結(jié)構(gòu)逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｔｈｅ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｄｏｍｅｓｔｉｃ邋ｄｅｄｉｃａｔｅｄ邋ｗａｔｅｒ－ｔｕｒｂｉｎｅ逡逑ａ）邋Ａｎａｌｏｇｏｕｓ邋ｉｎｃｌｉｎｅｄ－ｊｅｔ邋ｔｕｒｂｉｎｅ邐ｂ）邋Ａｎａｌｏｇｏｕｓ邋ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ邋ｔｕｒｂｉｎｅ逡逑在國內(nèi)，袁壽其、湯躍等建立了卷盤式噴灌機專用水渦輪水力性能試驗臺，逡逑最早開展了對國產(chǎn)ＪＰ５０機型水渦輪進行了水力性能試驗。試驗結(jié)果表明，水渦逡逑輪的最高效率不足１７％，并在數(shù)值模擬分析的基礎(chǔ)上設(shè)計了徑向進口軸向出口的逡逑新型水渦輪結(jié)構(gòu)，采用了開式和閉式兩種轉(zhuǎn)輪，開展了模擬分析和性能預(yù)測，結(jié)逡逑果表明改進后的開式轉(zhuǎn)輪效率達到４０％，閉式轉(zhuǎn)輪的效率達到５２％，比原水渦逡逑輪的效率分別提高２３和３５個百分點。同時，還對國產(chǎn)ＪＰ７５水渦輪進行了試驗逡逑和內(nèi)部流場數(shù)值模擬及分析

平性能的影響進行了細致的研究，新設(shè)計的前彎型葉片透平的效率達到６７．９％，逡逑比后彎型葉片的泵作透平的效率高出近８個百分點［２４７＿２５１］。有學(xué)者還對逡逑１４．６－５５．６ｎｖｌｃＷ低比轉(zhuǎn)速的四種泵作透平的性能變化進行過試驗，如圖１－６所示，逡逑１１逡逑

Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ邋ｃｕｒｖｅ邋ｏｆ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｔｙｐｅｓ邋ｏｆ邋ｌｏｗ邋ｓｐｅｃｉｆｉｃ－ｓｐｅｅｄ邋ｐｕｍｐｓ邋ｕｓｅｄ邋ａｓ邋ｔｕｒｂｉｎｅｓ逡逑題提出逡逑上，國內(nèi)外現(xiàn)有研究對各類水力透平或泵作透平的性能和分布作７所示［２１８］。逡逑Ｗ￣２０Ｄ￣５0ｒ邋１０００邋ｋＷ邋Ｐ－’＂逡逑５０邐—雙擊式水輪機邐水．１■式４邋．一ｆ二」－逡逑２Ｑ邐斗式＼邋，邐一混流式水輪機邐８０邐逡逑��；邋２邋５邋，0邋７邋ｉ邐Ｉ１邋Ｉ逡逑邐？邐0邋邐ｉ邐ｉｉ邐ｉ邐ｉＣ６－０２邐１．０Ｅ－０１邋ｌＯＥ＾ＯＯ邋１．Ｃ＊０１邐１．０Ｅ＊０２邐0邐２０邐４０邐６０邐８０Ｃｌ邋ｍ３／ｓ邐Ｑｔ邋Ｑｏｐｔ邋０邋0逡逑ａ）邐ｂ）逡逑圖１－７常見透平和泵作透平的應(yīng)用與效率分布逡逑ａ）各類透平邋ｂ）效率分布逡逑－

【參考文獻】

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本文編號：2829706