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水力透平转轮的水力设计方法研究及其内部流动的模拟

刘玉莹  
【摘要】:水力透平(Hydraulic Turbine)是利用高压液体驱动转轮转动,将液体的压能转换为透平的机械能的能量回收装置。水力透平可回收高达70%~80%的流体能量,通常适应于压差大、流量小且稳定的工艺流程中。水力透平可驱动发电机发电,也可作为原动机直接驱动工作机——空气、原料气等压缩机。用水力透平回收上述剩余能量是很有价值的,水力透平是工厂节能降耗的关键设备,也是目前所提倡的循环经济的核心设备之一。随着各行各业节能意识的提高,对再生能源利用的重视,作为二次能源回收效果俱佳的机械——水力透平必将发挥更大的作用,应用在更多的领域。 目前,从了解的情况看,各企业使用水力透平回收能量效果不错,但国内机型的可靠性存在不足,因此大型化工企业多用进口水力透平。且随着能源价格的提高,在石油化工,石油加工、化肥、海水淡化等行业中,许多企业为节约资源,提高竞争力,加大了对能量回收技术研究的投资。故利用叶片式水力机械原理设计开发出结构简单、高效、稳定可靠的能量回收装置具有重要的现实意义。一方面能为节能减排、建立资源节约型社会做出贡献;另一方面对水力透平设计理论的研究也将是对水力机械设计理论的补充。 本文所做的主要工作有: 1)参考双吸泵的结构型式,以混流式水轮机转轮的设计为依据,在给定的参数下分别用不同设计方法(一元理论设计方法、二元理论设计方法)设计出结构类似双吸泵转轮的水力透平转轮,并建立了水力透平的转轮三维模型及其他过流部件的三维模型。 2)借助CFD软件,采用标准k ?ε湍流模型,以清水为介质,在最优开度下,用三种工况点(0.8Q、1.0Q、1.2Q)对两种不同设计方法初次设计的转轮内部流动进行了全流道定常模拟计算。通过分析其内部三维流动机理,预测了水力透平转轮的性能。依据模拟结果和分析其流态、流场分布情况,再联合CAD技术,对初次设计的转轮进行了多次改进,最终得到的了水力性能良好的转轮模型。同时也验证了所设计的转轮结构是可行的、合理的。 3)将改进后的两种不同的转轮在不同的工况点下进行了模拟计算,分析比较出两种不同设计方法所设计转轮的内部流动状况,找出合适水力透平转轮的设计方法,为水力透平机转轮的设计提供了合理、可靠的依据。


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