介質(zhì)黏度對泵作透平特性的影響*

畢智高，李貝貝，相玉琳，褚佳曼

(1.榆林學院 化學與化工學院， 陜西 榆林 719000；2.陜西省低變質(zhì)煤潔凈利用重點實驗室，陜西 榆林 719000)

隨著能源危機和環(huán)境污染等問題的日漸突出，節(jié)能減排工作受到人們越來越多的關(guān)注。在中國煤化工、油氣儲運、石油煉化等工業(yè)生產(chǎn)過程中存在大量液體余壓能量直接通過孔板或減壓閥等元件排出而被浪費[1-5]，因此實現(xiàn)對液體余壓能量的回收和利用具有顯著的經(jīng)濟和社會效益。液力透平是液體余壓能量回收領(lǐng)域最早研發(fā)的技術(shù)裝備，利用液力透平可將工藝流程中液體的富裕壓能轉(zhuǎn)換為透平轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)機械能驅(qū)動耗功設(shè)備運行，實現(xiàn)對液體能量的回收和再利用[6-7]，從而達到節(jié)能目的。凡是有液體壓力能變化的地方，都能夠應(yīng)用液力透平回收和利用液體能量，技術(shù)上有20kW回收能量，就可用液力透平回收利用[8]。

20世紀初，C P Kittredge等[9]首次發(fā)現(xiàn)離心泵可以反轉(zhuǎn)作能量回收液力透平(pump as turbine， 簡稱PAT)運行，因其與專用液力透平相比在價格上極具優(yōu)勢，同時還具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、維護方便等諸多優(yōu)點，因而得到了廣泛的關(guān)注和快速的發(fā)展。

目前對PAT的研究主要集中在選型[10-11]和流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[12-13]等方面，上述研究均在清水介質(zhì)下進行，而對以黏油作能量回收利用介質(zhì)的報道相對較少，工藝流程中需要回收能量的液體大部分是有黏性的，黏性必然會對PAT的性能產(chǎn)生影響[14]。

作者在已有工作的基礎(chǔ)上，以不同黏度的純液作為輸運介質(zhì)，采用CFD方法分析探索介質(zhì)黏度對PAT特性的影響規(guī)律。

1 幾何模型

選取管道泵SM73-40-10，該泵設(shè)計工況下的性能參數(shù)見表1。利用3種通常狀態(tài)下的純液作介質(zhì)，其物性參數(shù)見表2。按文獻[15]提出的方法為葉輪進口添加導葉，原型泵及改型后PAT的幾何模型見圖1。

表1 SM73-40-10性能參數(shù)

表2 介質(zhì)物性參數(shù)

圖1 幾何模型

2 數(shù)值計算

2.1 計算方案

對建立好的模型生成非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。對網(wǎng)格無關(guān)性檢驗發(fā)現(xiàn)，當整個計算域網(wǎng)格總數(shù)接近120萬時，PAT的水力效率波動幅度小于0.45%，在綜合考慮計算資源的基礎(chǔ)上，研究模型的網(wǎng)格數(shù)量為120萬。

利用商業(yè)軟件ANSYS對透平計算域進行數(shù)值模擬，基于時均化的N-S(Navier-Stokes)方程和標準k-ε湍流模型?？刂品匠痰碾x散基于有限體積法，動量方程和連續(xù)性方程采用SIMPLEC(semiimplicit method for pressure-linked equation consistent)算法聯(lián)立求解。邊界設(shè)為質(zhì)量流量進口，壓力出口。葉輪和導葉、導葉和蝸殼及葉輪與出水管之間的交界面設(shè)置為interface；固體壁面處采用光滑無滑移邊界條件，近壁面采用標準壁面函數(shù)處理，計算收斂標準設(shè)為0.000 01。通過改變介質(zhì)的動力黏度、密度及進口流量來分析介質(zhì)黏度對PAT特性的影響。

2.2 實驗驗證

為了驗證數(shù)值計算方案的正確性，利用常溫清水在透平試驗臺上對原型PAT進行了實驗研究，透平試驗臺原理流程見圖2。流量計用以讀出體積流量Q，轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩儀用作讀出轉(zhuǎn)矩M和轉(zhuǎn)速n，水頭H從壓差傳感器獲取，進而計算求得功率P、效率η和水頭H。

圖2 透平試驗臺原理示意圖

數(shù)值模擬與實驗結(jié)果間的比較見圖3。

Q/(m3·h-1)

由圖3可知，二者之間存在一定誤差。數(shù)值模擬得到的水頭低于實驗值，這主要是因為數(shù)值模擬未考慮透平進口管路的水力損失以及透平內(nèi)部前后腔體流動；數(shù)值模擬得到的效率高于實驗值，這主要是因為數(shù)值模擬時忽略了軸承、軸封及圓盤摩擦等引起的機械損失，也沒有考慮口環(huán)與平衡孔的泄漏損失?？傮w而言，實驗值和數(shù)值模擬結(jié)果趨勢比較吻合，二者誤差處于可接受的范圍內(nèi)，表明文中所采用的數(shù)值模擬方法可以對PAT的特性進行較好的預(yù)測。

3 結(jié)果與討論

3.1 外特性

不同黏度介質(zhì)下PAT最高效率點時的性能參數(shù)見表3，不同黏度介質(zhì)下PAT的外特性曲線見圖4。

表3 PAT最高效率點性能參數(shù)

Q/(m3·h-1)

由圖4可知，相同流量下，隨著介質(zhì)黏度的增大，PAT的效率下降，其中介質(zhì)從清水變?yōu)轲び蜁r下降明顯，而從黏油1變?yōu)轲び?時，效率曲線十分接近，最高水力效率點向小流量偏移；相同流量下，PAT可回收的水頭隨介質(zhì)黏度的增大而增大，其中介質(zhì)從清水變?yōu)轲び蜁r增大顯著，而從黏油1換作黏油2時，壓頭曲線十分接近；相同流量下，功率隨介質(zhì)黏度的增大而減小，其中介質(zhì)從清水變?yōu)轲び蜁r下降明顯，而從黏油1變?yōu)轲び?時，功率曲線十分接近，這是由于PAT輸出軸功率的大小主要受介質(zhì)密度的影響[16]，水的密度比黏油大約14%，因此水作介質(zhì)時輸出的功率比黏油的高，而2種黏油密度相差只有約1.2%，故功率曲線相近。

3.2 湍動能分布

湍動能分布規(guī)律表征了流場內(nèi)部湍流運動過程中動量交換的強度和能量耗散的大小。最優(yōu)工況不同黏度介質(zhì)下PAT中間截面湍流動能分布見圖5。由圖5可知，蝸殼和導葉內(nèi)部湍流動能分布都比較均勻，受介質(zhì)黏度影響較?。煌牧鲃幽茌^高值區(qū)域主要分布在導葉與葉輪的動靜耦合面和葉輪出口；隨著介質(zhì)黏度增大，湍流動能較高值區(qū)域向葉輪流道內(nèi)擴散。

a ν=0.893 mm2/s

3.3 速度分布

最優(yōu)工況不同黏度介質(zhì)時PAT中間截面速度分布見圖6。

a ν=0.893 mm2/s

由圖6可知，PAT內(nèi)的速度分布不均，不均區(qū)域主要分布在隔舌附近、導葉和葉輪的動靜耦合面以及葉輪流道內(nèi)。與蝸殼內(nèi)速度比較，動靜耦合面處介質(zhì)速度相對較高，而隔舌附近及葉輪流道內(nèi)流體速度相對較低，葉輪流道內(nèi)低速流體主要分布于葉片壓力面，約占60%葉片長度，這主要是因為葉片壓力面為阻力區(qū)，流體流經(jīng)葉片壓力面時受到葉片阻力使其速度下降[17]所致。不同黏度介質(zhì)下，PAT內(nèi)速度分布差異不大。

3.4 葉輪葉片靜壓分布

不同黏度下PAT葉輪葉片壓力面和吸力面上的靜壓分布見圖7。

Sa ν=0.893 mm2/s

橫坐標S為葉片中間流線的相對長度，其中0代表葉片進口，1.0表示葉片出口，縱坐標為葉片壓力面和吸力面的靜壓值。由圖7可知，葉片壓力面和吸力面的靜壓值從葉片進口到出口總體上呈降低的趨勢；壓力面靜壓分布基本上呈上凸形，吸力面靜壓分布基本呈下凹形；葉片進口約2%的區(qū)域內(nèi)葉片壓力面靜壓出現(xiàn)一個小的波谷；此后到葉片出口約98%的剩余范圍內(nèi)，葉片壓力面靜壓值均大于吸力面靜壓值，產(chǎn)生推動葉輪轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)矩；葉片出口處的吸力面出現(xiàn)靜壓值增加，這是由于葉輪出口處流體過流面積變小而致[17]；不同黏度介質(zhì)下葉片壓力面和吸力面上的靜壓分布趨勢基本一致，靜壓值隨介質(zhì)黏度增大而降低。

3.5 徑向力

不同黏度介質(zhì)下PAT所受徑向力的大小見圖8。

由圖8可知，介質(zhì)黏度不同，PAT徑向力分布也不同；清水介質(zhì)時，徑向力隨流量的增大總體上呈減小的趨勢；介質(zhì)為黏油時，徑向力整體呈波動狀，但黏油1作介質(zhì)時徑向力的波動頻率高于黏油2；3種黏度介質(zhì)的PAT在最優(yōu)工況附近的徑向力均達到最小。

Q/(m3·h-1)

徑向力方向示意圖見圖9，其中θ為沿介質(zhì)流向葉輪所受徑向力與隔舌間的夾角。不同黏度介質(zhì)下PAT所受徑向力的方向見圖10。

圖9 徑向力方向示意

Q/(m3·h-1)

由圖10可知，介質(zhì)黏度不同，PAT徑向力方向差異較大。清水介質(zhì)下，徑向力的方向約為50°～240°，介質(zhì)為黏油1時，方向約在30°～310°，介質(zhì)為黏油2時，方向約為10°～360°。

4 結(jié) 論

(1)PAT的外特性曲線趨勢基本一致；隨著介質(zhì)黏度的增大，PAT的水力效率下降，可回收水頭增大，輸出功率減??；介質(zhì)從黏油1轉(zhuǎn)換為黏油2時，PAT最高水力效率點向小流量偏移；

(2)葉輪葉片靜壓分布趨勢基本一致，靜壓值隨介質(zhì)黏度的增大而減小，介質(zhì)黏度對PAT徑向力的大小和方向影響較大，在黏度為48.48 mm2/s時，PAT所受徑向力變化幅值相對最??；

(3)最優(yōu)工況下，PAT內(nèi)介質(zhì)速度分布差異不大；最優(yōu)工況下，隨介質(zhì)黏度的增大，湍流動能較高值分布區(qū)域由導葉-葉輪的動靜耦合面向葉輪流道擴散。