(蘭州理工大學能源與動力工程學院, 甘肅 蘭州 730050)

液力透平可以將高壓液體的壓力能回收轉化為透平轉子的旋轉機械能，并驅動泵、風機等工作機做功或者用于發(fā)電[1-3]。目前，液力透平裝置已廣泛應用于石油化工、海水淡化、冶金處理過程中的余壓液體能量的回收等節(jié)能技術領域。

泵反轉做液力(pump as turbine，簡稱PAT)透平具有結構簡單、成本低、便于維修、性能可靠、應用廣泛、可批量生產(chǎn)等優(yōu)點，是液力透平的主要形式之一，它包括單級和多級結構[2-6]?；厥諌侯^較高的余壓液體的壓力能，可用多級泵反轉做液力透平。工程應用中高壓液體中常含有一定量的氣體，因此研究氣液兩相介質的多級液力透平具有重要意義。

目前對液力透平的研究，主要集中在根據(jù)泵的工況性能來預測透平的工況性能以及二者之間的性能換算關系[2-5]、泵正反轉的水力特性的研究等方面[6-7]。文獻[2]研究了純水介質的多級離心泵做液力透平的數(shù)值模擬和性能預測。對泵反轉做液力透平的研究主要采用理論推導、試驗、數(shù)值模擬等方法[1-7]。本文基于CFD軟件對多級離心泵在純水介質和入口氣體體積含氣率(即Gas Volume Fraction，縮寫為GVF)為0.10的氣液兩相介質時的液力透平進行數(shù)值試驗研究，分析其在最優(yōu)工況的外特性和內部流動規(guī)律，以及在大流量和小流量工況下的氣體分布，為多級泵反轉做液力透平結構的優(yōu)化提供參考。

1 模型的建立與網(wǎng)格劃分

以DG85-80五級節(jié)段式鍋爐給水離心泵反轉做多級液力透平。多級泵的基本結構為準螺旋形吸入室、環(huán)形壓出室和徑向導葉，其基本參數(shù)如表1所示。用PRO/Engineer5.0生成多級離心泵內部三維流動區(qū)域計算模型[8]，如圖1所示。

表1 多級離心泵設計參數(shù)

圖 1 多級離心泵三維流道模型

為適應多級離心泵過流部件(吸入室、壓出室和各級葉輪、正反導葉)的復雜形狀，在Gambit中采用四面體和六面體網(wǎng)格相結合的混合網(wǎng)格劃分各個流道模型內的流體，并完成部分邊界條件的設定。吸入室和壓出室的網(wǎng)格數(shù)為40萬5 778和40萬1 976；第1級到第5級葉輪的網(wǎng)格數(shù)分別為32萬4 593、46萬1 819、46萬1 689、46萬1 667、46萬1 868；第1級到第5級導葉的網(wǎng)格數(shù)分別為28萬6 166、28萬2 479、28萬2 835、28萬1 989、13萬3 789；全流道模型的網(wǎng)格總數(shù)為424萬6 648個。在Fulent中對泵入口流量為0.8、0.9、1.0、1.1、1.2qv,bep時進行數(shù)值模擬，得到純水介質時多級離心泵的外特性曲線，如圖2所示。

圖 2 純水介質時多級離心泵的外特性曲線

2 數(shù)值模擬的計算方案

在Fluent中分別對多級離心泵在純水介質的透平工況和入口GVF為0.10的氣液兩相介質的透平工況在不同流量下進行數(shù)值試驗研究，并分析總結其外特性和內部流動特性。

2.1 基本假設及邊界條件

在Fluent中選取工作介質為清水和氣液兩相介質，基本假設：純水為連續(xù)不可壓縮流體，氣體為連續(xù)可壓縮理想氣體；氣液兩相介質中純水為主相，氣體為次相，認為氣液兩相介質均勻混合，介質在透平流道內穩(wěn)定流動；兩相介質之間不存在相變和傳質；介質流經(jīng)設備時間很短，散熱很小，和外界無熱交換，忽略氣相與液相介質之間的熱量交換；膨脹和壓縮引起的氣體內能變化與氣體膨脹功相比要小很多，不考慮氣體壓縮、膨脹時內能的變化。

邊界條件設置為質量進口，壓力出口，余壓設置為0.5 MPa，以供設備后續(xù)運行，收斂精度為10-4。壁面條件：在葉片表面等固體壁面上，速度滿足無滑移條件，即相對速度ω=0；對于近壁附近流動區(qū)采用標準壁面函數(shù)法確定。

2.2 湍流模型

數(shù)值模擬選用多重參考坐標系(MRF), 設置葉輪區(qū)域為旋轉坐標系?；跁r均化的N-S方程，采用標準κ-ε湍流模型，連續(xù)性方程、動量方程、湍動能方程和湍動能耗散方程均采用一階迎風格式進行離散計算；氣液滑移計算方式選用manninen-et-al，多相流模型采用Mixture模型；壓力-速度耦合求解使用SIMPLE算法；計算類型為穩(wěn)態(tài)[9]。

3 最優(yōu)工況透平特性

3.1 多級液力透平的外特性

式(1)、式(2)為氣液兩相介質的液力透平壓頭和效率的計算公式[10]。

(1)

(2)

式中：H為透平的壓頭，m；χ為氣體質量含氣率；g為重力加速度，m/s2；pd、ps分別為透平進、出口總壓，pa；vd、vs為透平進、出口介質速度，m/s；zd、zs為進、出口到基準面的垂直高度，m；R為氣體常數(shù)；T為熱力學溫度，K；ρ為介質密度，kg/m3；下標d為透平進口，下標s為透平出口，下標g和l分別為氣體介質和液體介質；η為透平水力效率；M為透平輸出轉矩，N·m；ρl，g為氣液混合介質密度；Q為混合介質體積流量，m3/h；ω為轉速,r/min。

圖3、圖4為多級液力透平在純水介質和入口GVF為0.10的氣液兩相介質時的外特性曲線?？芍弘S著流量的增大，純水透平和氣液兩相透平的壓頭和功率均逐漸增大，通過水力效率曲線可以看出純水介質的透平在未到達最優(yōu)效率之前曲線較為平坦，而之后效率下降的梯度較大；氣液兩相透平在最優(yōu)工況點的壓頭、功率比純水透平高，而水力效率較純水透平低，其高效率運行區(qū)域比純水透平小，隨流量的增大水力效率下降的梯度增大。

圖 3 純水介質時液力透平的外特性曲線

圖 4 氣液兩相介質時液力透平外特性曲線

3.2 多級液力透平的內流場分析

3.2.1 靜壓力分布

圖5為入口混合介質的氣體體積分數(shù)為0.10的氣液兩相介質的液力透平第1、3、5級葉輪、導葉的靜壓分布云圖?？芍和钙綇恼龑~入口到葉輪出口的壓力遞減，在導葉和葉輪的交界面處壓力等值線波動較大，這是由于葉輪和導葉動靜干涉導致的壓力損失；葉片工作面壓力大于葉片背面壓力；導葉、葉輪各流道中，壓力分布不完全對稱，壓力沿流線和過水斷面形成線的變化不均勻，導葉流道內的壓力梯度變化大于葉輪，導葉凸面壓力大于凹面；隨著級數(shù)增加，壓力下降，各級葉輪導葉的進出口壓差也隨之增大，導葉葉輪各流道內的壓力變化梯度增大，壓力分布的不均勻性增加。

3.2.2 速度矢量分布

圖6為入口混合介質氣體體積分數(shù)為0.10的氣液兩相介質的液力透平第1、3、5級葉輪、導葉的相對速度分布云圖。如圖6所示，混合介質在透平葉輪、導葉流道內的流動總體上比較穩(wěn)定，隨級數(shù)增加，各級葉輪、導葉流道內的流速增加。這是由于隨流道內壓力減小，氣體膨脹加劇，流體速度變大，兩相介質之間的耦合作用加強，互相影響和帶動，氣液兩相介質的相對運動使葉輪流道內流體流動有所改善。從透平的正導葉入口到出口速度增大，導葉-葉輪交界面的速度快速減小后，再到葉輪出口的過程中速度又逐漸增大。這是因為泵在透平工況下導葉和葉輪的流道是收縮的，介質從導葉到與葉輪交界面處流道截面面積增大。導葉凸面速度大于凹面。葉片背面的速度大于工作面速度，葉片工作面進口處有漩渦區(qū)域，并形成一定的回流，流速較小，沿著葉輪的旋轉方向，回流逐漸減弱，隨著級數(shù)的增大漩渦區(qū)域有所增大。這是由于介質在葉片工作面進口附近造成沖擊，隨著級數(shù)增加，氣體膨脹，介質流速增大，這種沖擊損失也變大。表2是氣液兩相透平在最優(yōu)工況點的各級葉輪、導葉的數(shù)值試驗結果，其結果與透平總的外特性和內流場特征相吻合。由表2可知，多級液力透平的單級水力效率比其總的水力效率高。這是由于總的水力效率要考慮到介質在透平的吸入室和壓出室，以及各自的上一級透平葉輪出口到下一級導葉進口交界面處的壓力損失。

第1級

第3級

第5級

圖 5 最優(yōu)工況時氣液兩相介質液力透平的第1、3、5級葉輪、導葉的靜壓云圖

第1級

第3級

第5級

圖 6 最優(yōu)工況時氣液兩相介質的液力透平第1、3、5級葉輪、導葉的速度矢量圖

表2 氣液兩相介質液力透平的數(shù)值模擬結果

3.2.3 氣相介質體積分數(shù)分布

圖7是入口氣體體積分數(shù)為0.10的氣液兩相介質的液力透平第1、3、5級葉輪、導葉的相對速度分布云圖。可知：氣相介質充滿了各級導葉葉輪的流道，各流道中氣體分布不對稱，同一流道內氣體分布不均勻；隨著級數(shù)的增加，從第1級到第5級各級葉輪、導葉內的體積含氣率增加，并且葉輪出口附近的高含氣率區(qū)域也增大；由于從導葉進口到葉輪出口，流道內壓力逐漸減小，氣體膨脹，GVF從導葉進口到葉輪出口逐漸增大，增加的梯度很不均勻；各級葉輪葉片背面的含氣率比葉片工作面高，導葉凸面含氣率小于凹面，在第1級和第3級葉輪的工作面進口附近有一小部分高含氣率區(qū)域，這些區(qū)域隨著級數(shù)的增加而逐漸消失。

第1級

第3級

第5級

圖 7 最優(yōu)工況時氣液兩相介質的液力透平第1、3、5級葉輪、導葉的氣相體積分數(shù)分布云圖

4 變工況時透平的氣相介質分布特性

圖8、圖9分別是GVF為0.10時多級液力透平在小流量(Q=0.75QBEP)和大流量(Q=1.25QBEP)下第1、3、5級葉輪、導葉流道內部氣相介質體積分數(shù)分布云圖。可知：與設計工況下的透平相比，在非最優(yōu)工況點氣液兩相液力透平的導葉、葉輪內氣體分布的不對稱性加劇，隨著級數(shù)的增加，透平葉輪出口附近的高含氣率區(qū)域減?。慌c小流量時的透平相比，透平對應的各級葉輪、導葉在流量較大時其內部的氣體體積分數(shù)較大，各流道中氣體分布更加不對稱，透平葉輪出口附近的高含氣率區(qū)域較小。

第1級

第3級

第5級

圖 8 小流量時氣液兩相介質的液力透平第1、3、5級葉輪、導葉的氣相體積分數(shù)分布云圖

第1級

第3級

第5級

圖 9 大流量時氣液兩相介質的液力透平第1、3、5級葉輪、導葉的氣相體積分數(shù)分布云圖

4 結論

1)與純水介質的多級液力透平相比，氣液兩相介質的透平在最優(yōu)工況點的壓頭、功率較高，水力效率、質量流量和高效率運行區(qū)域比純水透平的小。

2)氣液兩相透平的導葉、葉輪各流道中，壓力分布不完全對稱，導葉凸面壓力大于凹面，葉片工作面壓力大于背面；介質在透平葉輪、導葉流道內流動較穩(wěn)定，葉片背面的速度大于工作面速度，導葉凸面速度大于凹面，葉片工作面進口處有流速較小的漩渦區(qū)域；透平葉輪各流道中氣體分布不對稱，各級葉輪的葉片背面的含氣率比葉片工作面的高，導葉凸面含氣率小于凹面，在工作面進口附近有一小部分的高含氣率區(qū)域；隨著級數(shù)的增加,透平各級導葉、葉輪進出口壓差增大，其內部壓力分布不均勻性增加，葉片工作面進口附近的漩渦區(qū)域減小，葉輪的工作面進口附近的高含氣率區(qū)域減小。

3)在非設計工況點的透平葉輪出口附近的高含氣率區(qū)域隨著級數(shù)的增加而減小。與小流量時的透平相比，大流量時透平各級葉輪、導葉內部的氣體體積分數(shù)較大，透平葉輪出口附近的高含氣率區(qū)域較小，各流道中氣體分布的不對稱性加劇。

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