基于熵产理论的多级液力透平能量耗散机理分析

液力透平作为一种液体余压能回收装置,在小水电建设和能量回收领域得到广泛应用,但其内部能量损失特性不清。以两级径流式液力透平为研究对象,基于熵产理论和Omega涡识别准则分析了各过流部件内能量耗散机理。结果表明:速度脉动和壁面效应是能量损失的主要来源,设计工况下二者总占比为98.03%。叶轮和导叶是透平内能量耗散的主要区域;小流量工况,叶轮损失占比较高;大流量工况下,导叶损失占比较高。叶轮内的能量损失源于叶片前缘分离涡、吸力面回流涡以及叶片尾缘涡等不稳定流动现象,而相对液流角与叶片进口安放角的不匹配是导致叶轮内产生不稳定流动的根本原因;在导叶和导叶Ⅱ-反导叶中,不同流量下导致其能量耗散的因素基本保持一致,叶片前缘失速涡和流动分离等劣态流动引起的动量交换是导致能量损失的主要原因。环形吸水室内流动的非对称性导致导叶Ⅰ各流道内熵产率分布不均匀,而导叶Ⅱ-反导叶通过正导叶的整流减小了冲击效应,各流道内熵产率分布均匀且高熵区较小。

泵反转液力透平转速特性研究

为了研究液力透平的转速特性,采用Fluent软件动网格中的SDOF求解器对一台比转速为48的离心泵反转作液力透平进行数值模拟,分析了液力透平在启动过程中转速的变化规律。结果发现:随着转速的增大,透平高效区变宽,高效点明显向大流量偏移。流量越大,透平的飞逸转速就越大,各流量工况下的飞逸转速约为额定转速的1.4倍。在负载系数B_(g)为1.4905时,其负载力矩达到临界值,继续增加负载,叶轮不在工作,此时的水动力矩小于负载力矩。

径流式液力透平尾涡流动机理分析

液力透平叶轮出口处存在大尺度螺旋形尾涡,对机器的效率和运行稳定性有影响。为分析液力透平尾涡流动机理,利用Q准则识别提取尾涡结构,并对其速度场进行分析。研究发现:尾涡旋向与叶轮相反,其涡核半径约为叶轮出口半径的1/3,且在涡核中心发现了逆流区。根据叶轮出口处尾涡切向速度沿半径分布规律,可将尾涡流动分为涡核心区和涡衰减区,涡核心区内,切向速度沿半径急剧增加,在涡核半径处达到最大,在涡衰减区缓慢下降,在管壁处其值约为峰值的一半。沿着流动方向,尾涡切向速度分布逐渐平缓,且其峰值所在位置逐渐向管壁处移动。涡核心区内以切向速度动能损失为主,是引起液力透平水力损失的原因之一。

导叶时序对多级液力透平压力脉动的影响

为研究导叶时序对多级液力透平性能的影响,以两级径流式液力透平为研究对象,建立以首级导叶周向位置为基准,依次将次级导叶周向旋转10°的5种时序方案。基于RNG k-ε湍流模型对不同导叶时序位置引起的内流瞬态特性进行了研究。结果表明:导叶时序对液力透平外特性曲线有一定影响,但对各过流部件压力脉动影响更为显著;各监测点处压力脉动主频幅值随着导叶交错角度的增大呈现出不同的规律,当交错角度为40°时液力透平内压力脉动降幅最大,首、次级叶轮出口和次级导叶过渡段主频幅值相比0°方案分别降低了11%,51%和16%;导叶时序对首、次级导叶出口压力脉动几乎无影响。