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        不同轉(zhuǎn)速下液體透平的性能研究

        2018-01-26 05:32:37苗森春楊軍虎王曉暉史廣泰
        流體機械 2017年10期
        關鍵詞:液力揚程離心泵

        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構簡單、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、流量的換算關系,并繪出了基于泵比轉(zhuǎn)速的換算關系圖表,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對其進行結構網(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,進口設置為速度進口邊界條件,出口設置為壓力出口邊界條件,葉輪與蝸殼間的耦合面設置為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 試驗研究結果

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

        從圖4可以看出采用CFD計算的結果與試驗結果趨勢吻合較好,且數(shù)值計算的結果略高于試驗的結果,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)值計算結果對比

        5 結果分析

        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)結構強度滿足要求。

        5 結語

        (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,結合本文分析結果,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構強度滿足要求。

        (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系還需采用試驗研究來進一步確定。

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