作为透平机的离心泵叶轮圆整后的内部水力分析外文翻译资料-外文翻译网

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Experimental Thermal and Fluid Science 35（2011）121-134

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实验热学和流体科学

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作为透平机的离心泵叶轮圆整后的内部水力分析

Punit Singh uArr;，弗朗茨·内斯曼

卡尔斯鲁厄理工学院水和流域管理研究所（IWG）Kaiser Str。 12，D 76131德国卡尔斯鲁厄

文章历史：

2010年5月22日收到

2010年8月3日以修订形式收到

2010年8月22日接受

关键词：叶轮泵透平机自由涡流理论损失系数

摘要

近年来，泵作为透平机的应用越来越受到人们的重视，但水力优化问题仍然是一个开放的研究课题。这些优化技术之一包括对叶轮周边（或透平机入口）处的尖锐边缘进行圆角化处理使泵性能增强。

为了理解这种水力优化的效果，本文介绍了一种透平机作为控制容积的分析模型，并在系统损失系数和出口相对流向组成的控制变量的基础上提出了内部变量的分类函数由净切向速度、净水头和净流量组成。

利用实验数据研究了叶轮圆整对透平机和径向混合泵的影响。叶轮圆角对不同工作区域的整体性能有积极的影响，在1～3%范围内有改善。对两个控制变量的行为进行了详细的研究，发现系统的损失系数由于圆角影响而急剧减少，而出口相对方向的变化程度似乎是有限的。这些控制变量的变化原因已被物理解释并归因于透平机入口处的尾流区和叶轮控制容积内的循环的行为。

与泵作为透平机的性能预测模型相比，已经讨论了关于叶轮圆角更多的构想。还介绍了分析模型的可能局限性以及测试设置。该论文得出结论认为，叶轮圆整技术对于性能优化非常重要，并建议将其应用于所有泵作为透平机项目。它还建议标准化包括轴流泵在内的各种泵形状的圆整效应。

介绍
1. 背景

自从Thoma意外发现以来，水泵作为透平机已经走过了很长一段路[1] 用于能源回收和分散式发电。泵公司和科学家们的重点一直是为不同设计的离心泵的透平机运行开发准确的预测模型。尽管威廉姆斯报道了各种科学家的大量工作[2]，Amelio等。[3] 和Derakhshan和Nourbakhsh[4]，这些模型的准确性仍然是一个问号。最近，Singh和Nestmann在英国[5] 提供了一个优化模型，精确度在plusmn;3％以内，适用于泵的特定

缩略语：PAT，泵作为透平机; BEP，最佳效率点。

uArr;通讯作者。

电子邮件地址：punit.singh@iwg.uka.de （P. Singh），nestmann@iwg.uka.de （F. Nestmann）。

速度20-80转/分钟。但是，即使这种模式也需要持续的验证和优化。

虽然泵作为透平机的预测模型将进一步发展，但还有其他重要问题需要处理。辛格[6] 展示了改变泵几何形状以改进透平机模式下给定泵的性能的各种可能性。水力学优化是PATs研究活动的下一阶段，应该与预测模型相提并论。只有在给定的透平机应用选择令人信服的泵之后，水力性能优化的问题才会出现。辛格[6] 声明，除了尝试不同的几何修改之外，在叶轮叶片外围进行的称为叶轮修整的修改是最为重要的。这种修改首先由Lueneberg和Nelson进行[7] 和Cohrs

[8] 在单独的泵上，效率提高了1.5-2％。辛格[6] 在8个不同的离心泵上进行了入口圆整，并对叶轮圆整效应进行了定性理解。

叶轮入口（透平模式）

叶轮出口（透平模式）损失

泵模式径向

切向分量

刀片状况

下标

p r u

速度，rpm

特定速度，NQ^1/2/ H^3/4（N in rpm，H in m，Q in m³/ s）

功率，kW

排量m³/ s，

半径矢量m，

扭矩N*m

切向叶片速度，m / s

相对速度，m / s

上标

效率，％

绝对低角度，0

相对悬垂角，0

g a

流体区域面积，㎡

绝对速度，m / s ，外叶轮直径，m

重力加速度，m / s²

扬程，m

损失系数，1 / m⁴

质量流率，kg / s

k MN

N_q

u w

希腊的符号

符号含义

符号表

Derakhshan等人[9] 使用计算机模型来研究叶轮圆角对低转速泵的影响，但没有讨论内部水力效应。

由叶轮倒圆产生的内部流动现象并不清楚，尽管很明显这种改进提高了透平机的性能。此外，在广泛的泵形状中准确了解这些现象仍然是一个更大的挑战，其中涉及透平机机械参数的表征，例如欧拉动量，叶轮损失和能量转移中涉及的不同速度矢量。此外，还应研究入口圆角的相关性，并与PAT操作线的预测误差进行比较，以便对此修正技术给出整体观点。当前对叶轮水力的研究仅报告少量泵的性能变化，但未能发现准确的内部水力行为及其与泵选择和性能预测等系统问题的相关性。

1. 目标和问题大纲

所述问题的背景导致研究的以下目标。

- 1. 在PAT控制体积的帮助下建立基于透平机基本原理的理论模型，并确定内部变量及其行为。
  2. 为了实验研究大范围的PAT形状中的叶轮倒圆效应，并准确描述PAT在整个工作区域（部分负荷，BEP和过载）内部水力变量的影响。
  3. 研究叶轮倒圆与泵系统问题的相关性，如透平机的选择和性能预测。

该泵作为透平机控制量

为了开发一个理解内部水力行为的有意义的模型，作为透平机系统的泵可以被视为控制体积。从蜗壳开始到尾水管入口，它被分成如图所示的五个不同的区域图 1和2。这些区域内的水力系统（均为

静止的和旋转的）是固体边界处的流体状态，几何形状和摩擦效应的函数。但是，这些区域涉及更复杂的机制。

由于叶轮倒圆而可能发生变化的区域的水力系统是区域iii，区域iv和区域v，而区域iii和区域v是过渡区域，区域iv是叶轮内的旋转区域。相对于区域iii和区域iv中的低流线，特别是在区域iv的入口低空间中可以发生水力变化。过渡区iii和区v的变化与相对流量方向有关。由于叶轮倒圆，这三个区域的流量条件必须通过实验研究来调查。

优化研究的理论模型

理论模型（在章节中提到）1.2）涉及使用基础水力学和透平机规律在PAT上的外部操作变量与内部变量之间建立联系。该模型将被用来识别控制整个性能的内部变量以及它们如何影响其他变量，特别是在几何修改的情况下。

图1.径向流动PAT控制体积视图中的流动区域1。

图2.径向流量控制体积视图中的流动区域2。

1. PAT控制量中的外部变量

透平机机械性能的分析通常是在恒速或基于恒定水头的基础上进行的。本研究将采用恒速方法来理解外部变量与内部变量之间的相互关系。外部变量的一般函数关系表示在方程(1)，其中速度和流量是控制变量，头部，轴功率和效率是因变量。

H; P; g frac14; f eth;N; Q THORN; eth;1THORN;

1. PAT控制量中的内部变量及其行为
  1. 所有内部变量的功能
    1. 控制变量。等式2中的两个外部控制变量。

(1) 相应的内部变量。可以用入口或出口叶轮区域的径向流速分量来表示，如方程(2)。关注由于叶轮倒圆而发生变化的进气叶轮，关注的内部变量是入口径向速度cr1。这将从中看到图6叶轮倒圆造成面积增加，这意味着在恒定排放条件下，cr1必须按比例减小。

Q frac14; cr1 - A1 or cr2 - A2 eth;2THORN;

Eq的另一个控制变量(1) 是速度，这可能与进口或出口处的外围叶轮速度和相应的直径有关。流量和速度变量的扩展导致要考虑两个内部控制变量，即径向速度和外周叶轮速度。

- - 1. 因变量。
      1. 轴功率。轴功率是一个外部因变量，可以用欧拉动量和质量流率来表示，考虑到圆盘摩擦和泄漏的微不足道的影响[10] 并在等式(3)。从轴功率变量中得到的内部变量是网格切向流速和径向流速在方程(3).

Pshaft frac14; m_ - eth;Dcu - uTHORN;frac14; eth;q - A - crTHORN;- eth;Dcu - uTHORN; eth;3THORN;

此外，内部变量Dcu的扩展，如方程（4）和（5），表明它是径向流速的函数（入口或从方程出口）。(2)），入口涡旋角度，相对低角度在

出口和圆周的速度。在方程式中的这种扩展。(4) 可以从PAT控制体积的入口和出口处的速度三角形获得图3.

Dc_u frac14; c_u₁ - c_u₂ frac14; c_r₁ - tan a1 thorn; c_r₂ - tan b2 - u₂

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