苗森春 ，楊軍虎 ，王曉暉 ，史廣泰

（1. 蘭州理工大學，甘肅蘭州 730050；2. 甘肅省流體機械及系統(tǒng)重點實驗室，甘肅蘭州 730050；3.流體及動力機械教育部重點實驗值（西華大學），四川成都 610039）

1 前言

離心泵反轉(zhuǎn)作液力透平由于其結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、成本低等優(yōu)點，在煤化工、化肥制造、石油加工等流程工業(yè)中［1～6］，以及微型水力發(fā)電中的應(yīng)用越來越廣泛［7～9］。目前，大多數(shù)液力透平是采用離心泵反轉(zhuǎn)運行作為液力透平。對于一臺離心泵而言，廠家通常只提供其在正轉(zhuǎn)工況下的性能曲線，一般不對泵在透平工況下的性能進行測試，所以泵反轉(zhuǎn)作透平時的性能一般未知，為此針對液力透平的選型問題，國內(nèi)外學者進行了大量的研究工作［10～17］，如 Punit Singh 介紹了一套用于泵反轉(zhuǎn)作液力透平的性能預測及合理選型的方法［11］。文獻［13］采用試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對多臺不同比轉(zhuǎn)速的離心泵用作液力透平進行了研究，根據(jù)研究所得數(shù)據(jù)，回歸得到了離心泵與液力透平的揚程換算系數(shù)、流量換算系數(shù)。文獻［17］提出了泵與液力透平之間揚程、流量的換算關(guān)系，并繪出了基于泵比轉(zhuǎn)速的換算關(guān)系圖表，方便泵用作液力透平時的選型。

盡管對于泵用作液力透平時國內(nèi)外學者開展了大量的研究，但是由于預測精度受泵的制造精度及幾何參數(shù)等的影響，預測的準確性還有待提高。這樣工業(yè)液力透平在投入使用之前，需要通過具體的試驗測試來獲得其準確的性能參數(shù)。通過對泵用作液力透平的研究發(fā)現(xiàn)，液力透平的揚程及功率值均隨著流量的增加而單調(diào)遞增，增加的梯度相對較大。對于一般的試驗室而言，通常電力容量有限，可能會無法測量部分大工況下透平在額定轉(zhuǎn)速下的性能，或者無法直接測量大功率透平在額定轉(zhuǎn)速下的真機試驗，這樣通常需要采用降低轉(zhuǎn)速的方法來預估其在額定轉(zhuǎn)速下的性能。但目前關(guān)于轉(zhuǎn)速對液力透平性能影響的研究鮮有報道，缺乏液力透平在不同轉(zhuǎn)速下的性能規(guī)律，這樣即便是獲得了降速后液力透平的性能，但也很難準確地預測額定轉(zhuǎn)速下的性能參數(shù)，因此開展轉(zhuǎn)速對液力透平性能影響的研究具有重要的意義。

本文以比轉(zhuǎn)速為48的單級單吸離心泵反轉(zhuǎn)作液力透平為研究對象，在不同轉(zhuǎn)速下進行數(shù)值研究，得到不同轉(zhuǎn)速下的外特性曲線，分析并總結(jié)轉(zhuǎn)速對液力透平性能影響的規(guī)律和特點。

2 液力透平的主要幾何參數(shù)

本文的研究對象是一單級單吸離心泵反轉(zhuǎn)作為液力透平，葉片型線是通過優(yōu)化設(shè)計后獲得的葉片［18］，且為等厚度葉片，其中該模型最初在泵工況時的設(shè)計參數(shù)為：流量Q=12.5 m3/h，揚程H=30.7 m，轉(zhuǎn)速n=2900 r/min，比轉(zhuǎn)速ns=48。圖1為本文所研究液力透平的葉輪投影，透平葉輪旋轉(zhuǎn)方向為順時針方向。模型的主要幾何參數(shù)見表1所示。

圖1 葉輪投影

表1 模型主要幾何參數(shù)

3 數(shù)值計算

3.1 計算域選取與網(wǎng)格劃分

采用三維造型軟件Creo生成液力透平的計算域模型，該計算域模型包括進水段、蝸殼、葉輪、泄漏流道和尾水管5個部分，具體見圖2（a）所示。當各個計算域生成并轉(zhuǎn)配完成后采用網(wǎng)格劃分軟件ICEM對其進行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的劃分，圖2（b）所示為液力透平全流場網(wǎng)格裝配。

圖2 液力透平計算域模型及其網(wǎng)格示意

3.2 參數(shù)設(shè)置

采用ANSYS-FLUENT軟件對液力透平模型進行數(shù)值模擬，采用RANS模型描述液力透平的內(nèi)部流動，流體的流動類型為穩(wěn)態(tài)，湍流模型選用標準k-ε湍流模型，工作介質(zhì)是常溫下的清水，進口設(shè)置為速度進口邊界條件，出口設(shè)置為壓力出口邊界條件，葉輪與蝸殼間的耦合面設(shè)置為interface邊界條件，近壁面區(qū)域的流體流動采用標準的壁面函數(shù)來定義，計算收斂精度設(shè)置為10-4。

4 試驗驗證

為了驗證上述數(shù)值計算策略的正確性，需要對所研究模型進行試驗測量，并進行對比分析。

4.1 試驗臺

所設(shè)計的液力透平試驗臺流程如圖3所示。

圖3 液力透平試驗臺流程

4.2 試驗研究結(jié)果

圖4是液力透平轉(zhuǎn)速為2900 r/min時的數(shù)值計算結(jié)果與試驗結(jié)果的曲線。

從圖4可以看出采用CFD計算的結(jié)果與試驗結(jié)果趨勢吻合較好，且數(shù)值計算的結(jié)果略高于試驗的結(jié)果，這主要是因為在數(shù)值計算中沒有考慮軸承和機械密封摩擦引起的機械摩擦損失，還忽略了平衡孔的泄漏損失，因此導致數(shù)值計算結(jié)果偏大。從上圖的對比可以得出，采用數(shù)值計算可以較好地對液力透平的性能進行預測，因此可用上述數(shù)值計算的策略對該液力透平進行進一步的數(shù)值研究。

圖4 液力透平試驗與數(shù)值計算結(jié)果對比

5 結(jié)果分析

通過ANSYS-FLUENT軟件對所研究模型進行數(shù)值模擬后，分別得到不同轉(zhuǎn)速下液力透平的效率、揚程和功率曲線，如圖5所示。從圖5（a）可以看出，液力透平在不同轉(zhuǎn)速下的效率變化規(guī)律相似，均隨著流量的逐漸增加呈現(xiàn)出先陡峭上升后緩慢下降的趨勢，這種陡峭上升與緩慢下降的變化梯度隨著轉(zhuǎn)速的減小而增大；另外隨著轉(zhuǎn)速的不斷增大，液力透平最優(yōu)效率點的效率呈逐漸增大的趨勢，但增加幅度相對較??；當轉(zhuǎn)速由750 r/min增大到2900 r/min時，最優(yōu)效率點的流量分別為7.5，10，15，20，27.5 m3/h，與轉(zhuǎn)速基本呈線性增加的趨勢見圖6。從圖5（b）、（c）可以看出，液力透平在不同轉(zhuǎn)速下的揚程、功率變化規(guī)律分別相似，均隨著流量的逐漸增加呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，揚程在小流量工況下增加梯度較大，而大流量工況增加梯度相對較小，功率的變化趨勢恰好與揚程變化規(guī)律相反，即功率隨著轉(zhuǎn)速的增大在小流量時增大梯度相對較小，而在大流量工況功率隨轉(zhuǎn)速的增大急劇上升。

圖5 液力透平在不同轉(zhuǎn)速下的外特性曲線

圖6 最優(yōu)效率點的流量隨轉(zhuǎn)速的變化曲線

根據(jù)具體工程實際，當液力透平在額定轉(zhuǎn)速偏工況運行時，效率下降梯度較大，特別是在小流量工況，效率下降程度更為嚴重。結(jié)合上述所研究的轉(zhuǎn)速對液力透平性能影響的特點，可以得出在小流量工況時，降速可以提高液力透平的效率，相反液力透平在大流量工況運行時，增加轉(zhuǎn)速同樣可以提高液力透平的能量回收能力，但需要保證透平系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強度滿足要求。

5 結(jié)語

（1）液力透平在不同轉(zhuǎn)速下的外特性變化規(guī)律相似，效率呈現(xiàn)出先陡峭上升后緩慢下降，揚程和功率均隨著流量的增大而增大；最優(yōu)效率點的流量與轉(zhuǎn)速基本呈線性增加的趨勢。

（2）液力透平運行在偏離最優(yōu)工況時，效率相對較低，特別是小流量工況，偏離最優(yōu)工況越遠，效率下降的程度越嚴重，結(jié)合本文分析結(jié)果，在小流量工況時，降速對提高液力透平的效率有顯著作用，相反在大流量工況運行時，增加轉(zhuǎn)速有利于液力透平的能量回收能力，但需要保證具體的結(jié)構(gòu)強度滿足要求。

（3）上述是通過數(shù)值模擬的方法獲得的轉(zhuǎn)速對液力透平性能影響的特點及液力透平在具體運行時的相關(guān)建議。但是數(shù)值計算過程中由于忽略了部分泄漏引起的容積損失，軸承及軸封引起的摩擦損失等，因此，轉(zhuǎn)速與液力透平性能之間的精確關(guān)系還需采用試驗研究來進一步確定。

［1］ 刁望升. 高壓加氫裝置應(yīng)用液力透平可行性研究［J］. 煉油技術(shù)與工程，2008，38（7）：33-35.

［2］ Bansal P，Marshall N. Feasibility of hydraulic power recovery from waste energy in bio-gas scrubbing processes［J］. Applied Energy，2010，87（3）：1048-1053.

［3］ 鞠茂偉，常宇清，周一卉.工業(yè)中液體壓力能回收技術(shù)綜述［J］.節(jié)能技術(shù)，2005，23（6）：518-528.

［4］ 韓偉，李雪峰，陳昊，等.液力透平動靜葉珊內(nèi)的流動特性［J］.流體機械，2017，45（2）：46-49.

［5］ 陳剛.加氫裝置用能分析及節(jié)能措施［J］.齊魯石油化工，2007，35（3）：163-168.

［6］ 于良儉，陳允中. 液力能量回收透平在石化行業(yè)中的應(yīng)用［J］. 石油化工設(shè)備技術(shù)，1996，17（4）：27-31.

［7］ Giosio D R，Henderson A D，Walker J M，et al. Design and performance evaluation of a pump-as-turbine micro-hydro test facility with incorporated inlet flow control［J］. Renewable Energy，2015，78：1-6.

［8］ Elbatran A H，Yaakob O B，Ahmed Y M，et al.Operation，performance and economic analysis of low head micro-hydropower turbines for rural and remote areas：A review［J］. Renewable & Sustainable Energy Reviews，2015，43：40-50.

［9］ Himanshu Nautiyal，Varun Varun，Anoop Kumar，et al. Experimental investigation of centrifugal pump working as turbine for small hydropower systems［J］.Energy Science and technology，2011，1（1）：79-86.

［10］ 夏書強. 氣液兩相介質(zhì)下液力透平基本方程和換算關(guān)系曲線的研究［D］. 蘭州：蘭州理工大學，2013.

［11］ Punit Singh，F(xiàn)ranz Nestmann. An optimization routine on a prediction and selection model for the turbine operation of centrifugal pumps［J］. Experimental Thermal and Fluid Science，2010，34（2）：152-164.

［12］ 楊軍虎，許亭，王曉暉. 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預測液力透平壓頭和效率［J］. 蘭州理工大學學報，2015，41（3）：49-54.

［13］ 劉甲凡. 泵作水輪機運行的特性分析［J］. 農(nóng)業(yè)機械學報，1997，28（3）：20-24.

［14］ 楊軍虎，袁亞飛，蔣云國，等. 離心泵反轉(zhuǎn)作為能量回收透平的性能預測［J］. 蘭州理工大學學報，2010，36（1） 54-56.

［15］ A A Williams. The turbine performance of centrifugal pumps：A comparison of prediction methods［J］.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part A：Journal of Power and Energy，1994，208（1）：59-66.

［16］ Shahram Derakhshan，Ahmad Nourbakhsh.Experimental study of characteristic curves of centrifugal pumps working as turbines in different specific speeds［J］. Experimental Thermal and Fluid Science，2008，32（3）：800-807.

［17］ Jean-Marc Chapallaz，Peter Eichenberger，Gerhard Fischer. Manual on pumps used as turbines［M］.Berlin：Vieweg，1992.

［18］ 苗森春. 離心泵作液力透平的能量轉(zhuǎn)換特性及葉輪優(yōu)化研究［D］. 蘭州：蘭州理工大學，2016.