液体能量回收透平内气液两相非定常流动机理和水力学特性研究

在化工、石油等行业有大量含有一定气体的高压液体。目前国外大多利用泵反转作为液力回收透平回收利用这些高压液体的余压能量，这就需要知道泵的流量、扬程、效率、转速和反转作为液力透平使用时的流量、压头、效率、转速的换算关系。但目前研究得到的换算关系是在纯液体介质下的到的、换算关系范围很宽，不同学者研究结论差异较大。其主要原因一是理论研究和实验是以液体介质为研究对象的；二是没有得到这些换算关系和比转速的关系；另外，透平在启动过程中，即使在同一流量、压头的条件下，其运转稳定是转速范围较大。本研究以气液两相流理论为基础、利用理论推导、试验、数值模拟相结合的方法研究不同比转速的泵反转作为液力透平时两者外特性之间换算关系；研究单级泵加导叶反转作为液力透平时导叶的进出口角、导叶出口环量、叶片数对液力透平启动时其内部非定常流场及对透平转速的影响，使液力透平启动平稳后能够转速稳定，丰富水力机械流动理论。

在石油化工、石油加工、煤化工、海水淡化等过程工业生产过程中有大量高压液体，如何利用这些高压液体的能量一直是人们关注的焦点。目前国内外使用的液力透平机组主要形式是利用泵反转作为液力透平。泵反转做液力透平必须研究其的流量、压头、效率的换算关系。通过理论推导提出了离心泵与液力透平性能参数间的换算公式，该换算关系考虑泵与透平叶轮内的速度滑移，考虑了叶轮叶片的进出口安放角等对换算关系的影响，数值模拟和试验证明得到的关系式可以比较准确的计算泵和液力透平最优工况点的换算关系。推导得到了液力透平在气液两相介质条件下的基本方程。通过数值模拟发现：当液力透平进口气体体积含气量不大于20%时，可以不考虑气体在叶轮内内能的变化，仅考虑气体膨胀做功即可。得到了在标准条件下，气体的体积含量在15%时，泵反转作为液力透平使用时泵和液力透平外特性参数之间的换算关系。在液力透平叶轮进口增加导叶可以使叶轮进口环量均匀，提高透平效率。通过数值模拟证明：加导叶时，可提高液力透平的效率，导叶数是叶轮叶片数加2时，透平的效率最高。泵反转做液力透平时的力特性是液力透平安全运行的关键。通过数值模拟发现：在相同流量下透平工况径向力普遍低于泵工况时的径向力，透平工况时径向力的大小随流量的增加而增加；对于轴向力，随着流量的增大，透平工况下总轴向力逐渐增大，透平工况的总轴向力是泵工况总轴向力的1.2倍左右。由于流体机械有限叶片数的影响，其叶轮内部均会产生速度滑移，滑移现象造成流体机械功率缩减。研究了透平叶轮流道内流体的流动机理，得到了的进出口滑移系数和透平叶轮的进出口角、叶片数、进出口半径、旋转角速度等因属有关，此研究为准确计算液力透平压头和流量的关系奠定了基础。为了提高液力透平效率，提出液力透平叶轮采用长短叶片结合的叶轮，但这时短叶片如何布置是要研究的重点。采用数值模拟和试验验证的方法得到当液力透平叶轮是6个叶片的基础上设计了6个短叶片，短叶片的周向位置为0.5θ，出口直径取0.5（D2-D0）+ D0，出口偏置角为-5°时，可提高液力透平效率3.5%。另为了提高液力透平的效率，可对透平叶轮叶片进行优化设计，提出了一种低比转速叶轮叶片型线的多工况优化设计方法，利用该方法对一台泵反转做液力透平的叶轮叶片型线进行优化，经试验证明可提高液力透平效率约3.5%。