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1、学校代号：1 0 7 3 1 学号：11 2 0 8 0 7 0 4 0 3 0 密级：公开 兰州理工大学硕士学位论文 多级液力透平参数之间关系的研究 学位申请人姓名： 刘浩然 导师姓名及职称：杨军虎教授 培养单位：能源与动力工程学院 专业名称：流体机械及工程 论文提交日期：2 0 1 4 年4 月2 0 门 论文答辩日期：2 0 1 4 年6 月1 0 只 答辩委员会主席：武生智教授 T h er e s e a r c ho ft e l a t i o n s h i pa m o n gm u l t i s t a g eh y d r a u l i ct u r b i n e
2、p a r a m e t e r s L I UH a o r a n B E ( L a n z h o uU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ) 2 0 11 At h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e R e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f M a s t e ro fE n g i n e e r i n g 1 n F l u i dM a c h i n e r y i
3、 nt h e G r a d u a t eS c h o o l o f L a n z h o uU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y S u p e r v i s o r P r o f e s s o rY A N GJ u n h u J u n e ，2 0 1 4 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。
4、本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 垂J 笮转、 日期：少纱年多月7 乙日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：多l 节然 导师签名 日期：，竹年月1 7z 日 日期：，J 毕年月2 日 目录
5、摘要I A b s t r a c t III 第l 章绪论1 1 1 课题的研究背景及其意义1 1 2 国内外的研究现状l 1 2 1 流体液力透平能量回收的原理1 1 2 2 泵反转做透平2 1 2 3 泵作透平的特点及应用5 1 2 4 泵作透平应用的问题一6 1 3 课题的研究内容7 第2 章三维建模和C F D 数值计算的基本理论8 2 1 三维建模8 2 2C F D 基本原理一9 2 2 1 基本控制方程9 2 2 2 湍流模型1 l 2 2 3C F D 模型的离散13 2 2 4 计算算法l4 2 3G a m b i t 的网格划分一l4 2 2 1 网格单元分类l5 2
6、2 2 网格类型l5 2 2 3 网格的划分过程l6 2 4F l u e n t 设置l7 2 5 本章小结l8 第3 章多级泵作液力透平的理论分析20 3 1 多级液力透平的基本原理20 3 1 1 多级泵透平的速度三角形一：20 3 1 2 多级泵离心泵做透平的基本方程20 3 2 多级离心泵各部分的损失及效率2l 3 2 1 水力损失21 3 2 2 泄漏损失和容积效率24 3 2 3 机械损失和机械效率25 3 2 4 多级离心泵正反转时的效率一26 3 3 多级离心泵正反转时的关系27 3 4 本章小结28 第4 章多级离心泵液力透平的数值模拟30 4 1 数值实验方案3O 4 2
7、 实验结果30 4 3 结果分析32 4 5 实例分析33 4 4 1 理论分析33 4 4 2 数值计算34 4 4 3 数值计算和理论分析的误差分析一34 4 5 本章小结一35 第5 章多级液力透平内部流动特性分析36 5 1 吸入室和压出室内部流场分析36 5 1 1 吸入室和压出室的压力分速度布图一36 5 1 2 吸入室和压出室的损失37 5 2 导叶中的流场分37 5 2 1 反导叶中速度矢量分布38 5 2 2 反导叶中压力分布39 5 2 3 正导叶中速度矢量分布40 5 2 4 正导叶中压力分布4O 5 2 5 导叶中的损失4l 5 3 叶轮中的流场分析42 5 3 1 叶
8、轮中的速度矢量分布42 5 3 2 叶轮中压力分布图43 5 3 3 叶轮中的损失44 5 4 本章小结45 结论与展望47 1 结论47 2 展望48 参考文献49 致谤 52 附录A 攻读硕士学位期间发表的论文53 摘要 液力透平能够回收高压液体中的能量，将压力能转化为轴功来驱动发电机发电 或者其他耗能机械做功，从而实现高压液体中的能量的回收利用。液力透平的主要 形式之一是泵反转作透平，泵反转作透平的具有结构简单、成本低、规格齐全等优 点，它包括单级液力透平和多级液力透平，单级液力透平主要应用在中低功率中， 而多级液力透平则可以在大功率的情况下运行。本文针对多级离心泵作透平时与泵 工况时的
9、参数之间的关系进行了研究，并对多级离心泵作透平时的水力性能进行了 预测。在对多级离心泵的研究过程中，选用比转速分别为6 0 、6 8 6 和1 1 2 5 的多级 离心泵作为研究对象，对上述的问题进行研究。 l 、理论分析。多级离心泵在正反工况时的损失分别包括机械摩擦损失、泄漏 损失和水力损失；机械效率与容积效率通过理论计算得出，从而获得多级离心泵的 水力效率。水力损失中主要包括吸入室的水力损失、压出室的水力损失、叶轮中的 水力损失、导叶中的水力损失和级问水力损失，吸入室的水力损失与压出室的水力 损失可以忽略不计，吸入室的水力损失、压出室的水力损失通过理论计算获得，同 时得到泵工况时叶轮和导叶
10、的水力效率，在透平工况时多级离心泵反转，通过计算 获得叶轮和导叶在反转时的水力效，结合级间损失得到多级离心泵在透平工况时的 水力效率；通过对多级离心泵在正反工况下进出口的速度三角形进行分析，获得多 级离心泵在正反转时在最优效率点的流量的关系：根据动量矩定理可以得到多级离 心泵在泵工况和透平工况时的扬程和压头的关系。通过总上所得到的三个关系式， 可以求得一台多级离心泵在透平工况时的压头、流量和水力效率。考虑多级离心泵 作透平时的机械效率和容积效率，就可以得到透平时的总的效率。 2 、数值分析及性能预测。对比转速为6 0 、6 8 6 和1 1 2 5 的多级离心泵进行数 值分析，分别得到多级离心
11、泵在透平工况和泵工况时的外特性曲线。从曲线可知， 多级离心泵在透平工况时最优效率点的流量和压头分别高于泵工况时最优效率点的 流量和扬程，而水力效率正好相反，透平工况时的最优效率低于泵工况时的最优效 率。对多级离心泵透平时与泵工况时最优效率点的流量比值、扬程比值、功率比值 和效率比值分别随比转速的变化进行分析，多级离心泵在透平工况与泵工况时流量 比值q 随着比转速的增加而减小，压头与扬程的比值矗却随着比转速的增加而增 大。同时将数值计算的结果跟理论分析的结果进行比较，两者的结果基本吻合，这 也证明了理论分析的准确性。 3 、多级泵透平内部流场分析。对多级离心泵作透平时吸入室、压出室、导叶 和叶轮中的流场进行分析和水力损失的分析，在吸入室和压出室中的相对速度和静 压力分布不均匀，水力损失随流量的
