具有前弯形叶片叶轮的液力透平内部流动与设计理论

Hydraulic turbines are important equipment of industrial energy-saving technology, however its internal flow law and design theory has not yet fully mastered. The acquaintance of internal flow law and the establishment of impeller design theory for hydraulic turbine used in high pressure energy recovery are two scientific problems in the application of hydraulic turbine. Focusing on forward-curved blades impeller of hydraulic turbine, this project will do the following research: 1.Finite volume method and PIV flow field test technology are used to simulate and test the internal flow within model turbine. To study the internal flow field distribution within hydraulic turbine, analysis of flow separation, secondary flow, vortex, turbulent kinetic energy distribution et al. at different flow rates within model turbine will be performed. 2.Based on the knowledge acquired from research on turbine internal flow field, analysis of the relationship between the turbine pressure field and theoretical head will be done. The function relationship between impeller slip factor and impeller geometric parameters will be discussed. The energy conversion process of hydraulic turbine will be revealed. 3. Using CFD-POST software and model turbine test, the hydraulic loss distribution within the turbine will be studied. Besides, the function between hydraulic loss distribution and impeller geometric parameters will be discussed. This project aims at understanding the internal flow law of hydraulic turbine with forward-swept blades impeller, revealing the energy transfer process of hydraulic turbine, and improving the hydraulic turbine’s efficiency.

液力透平是工业节能技术中的重要装备,但其内部流动规律和设计理论尚未完全掌握。本项目拟对具有前弯形叶片叶轮的液力透平进行以下研究：采用有限体积法对模型透平内部流动进行数值求解和PIV流场测试对模型透平内部流动进行测量，分析不同流量下模型透平内部脱流、二次流、漩涡、湍动能等分布变化情况，研究液力透平内部流场分布规律；基于透平内部流动规律的认识，分析透平压力场与理论扬程的关系，研究叶轮滑移系数与叶轮几何参数之间的函数关系，阐明液力透平内部能量转化过程；采用数值计算和模型透平实验，研究透平内部水力损失分布规律，探讨叶轮几何参数与透平内部水力损失的函数变化。本项目旨在掌握具有前弯形叶片叶轮液力透平内部流动规律，揭示液力透平内部能量转化过程，提高液力透平的效率。

随着社会经济的发展，人类对能源的需求不断增加。液体压力能是一种清洁能源。液力透平是小功率液体压力能开发用节能装备，目前在工业流程和小水电等节能技术领域有着较为广泛的应用。在液力透平的实际工程应用过程中，存在设计理论不健全和效率较低等问题。本项目对液力透平内部流动、设计理论和设计方法进行了研究，提高液力透平的效率。.对数值计算过程中的几个关键影响因素进行分析，数值与实验相对比，找到了一个较为准确的数值计算方法。分析了不同流量、不同叶轮几何参数情况下，透平外特性、速度场、压力场、漩涡分布、湍动能分布等，认识了专用叶轮液力透平内部流动规律。.理论数值与实验相结合系统的研究了叶片进口安放角、出口安放角、叶片进、出口安放角变化规律、叶轮进口直径、叶片进口宽度以及叶片数等关键因素对液力透平性能的影响，给出了透平专用叶轮几何参数的确定方法，提出了叶片几何参数与设计流量关系表达式。.将论文提出的专用叶轮设计方法设计了低、中、高不同比转速叶轮。实验结果表明：与传统后弯型叶片叶轮相比专用叶轮高效区较宽，低中高三个比转速透平最高点效率分别提高7.93%、8.07%和5.45%。.通过项目实施，初步认识了具有前弯型叶片叶轮内部流动规律；揭示了液力透平内部能量转化过程；掌握了前弯型叶片叶轮主要几何参数对内部流场和外特性的影响；科研成果同企业合作，产生了一定的经济效益。.提出的前弯型叶片叶轮设计方法设计的径流式水轮机具有体积小、重量轻、效率高、高效区宽的特点，节能节材。项目的实施将对我国液力透平节能技术的推广应用和提高现有压力能利用率具有十分重要的意义。