CN107013400B - 一种液力透平 - Google Patents
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Abstract
本发明属于流体机械领域，具体涉及一种壳体出口方向与叶轮出口方向相互垂直的液力透平。为了解决在壳体出口与叶轮出口相互垂直的液力透平中，流体流经叶轮出口与壳体出口之间部分时存在着水力效率损失严重的问题，本发明公开了一种液力透平。该液力透平，包括壳体、叶轮以及导流器，所述导流器与所述壳体固定连接，并且所述导流器的工作面与所述叶轮的出口端沿水平方向相向对应；在所述导流器的工作面上沿圆周方向均布有多个导流叶片，并且形成位于所述导流器中心位置的导流进口和位于所述导流器边缘位置的导流出口。该液力透平通过导流器中导流叶片对流体的导流作用，可以降低叶轮出口与壳体出口之间的阻力损失，提高液力透平的水力效率。
Description
技术领域
本发明属于流体机械领域，具体涉及一种壳体出口方向与叶轮出口方向相互垂直的液力透平。
背景技术
液力透平是将液体流体工质中的压力能转换为机械能的机械设备，利用液力透平可以将工艺流程中的液体余压回收再利用，转换为机械能驱动机械设备，以达到节能。常规的液力透平主要包括壳体、叶轮以及主轴，其中叶轮位于壳体内部，并与主轴连接。流体所具有的能量在流动中，经过喷管时转换为动能，接着通过壳体的入口进入壳体并对叶轮内的叶片进行做功，推动叶轮转动，从而驱动主轴旋转，转换为机械能，完成做功的流体再通过壳体出口流出。
目前，根据液力透平的使用工况的不同，壳体出口的位置主要有两种设置形式，一种是沿水平方向设置，与叶轮出口方向相同，这样通过叶轮的流体从叶轮出口流出后，可以沿水平方向直接进入壳体出口，最终流出液力透平；另一种是沿竖直方向设置，与叶轮出口方向相互垂直，此时通过叶轮的流体从叶轮出口流出后，首先进行一个90度的转向，然后再进入壳体出口段，最终流出液力透平。由于流体在叶轮出口流出时，除了具有沿叶轮轴线方向的速度分量之外，还具有沿圆周方向的旋转分量。该圆周方向的旋转分量，不仅在流动过程中与壳体的内壁之间存在沿圆周方向的摩擦，进而产生附加水力损失，使液力透平水力效率降低，而且针对壳体出口与叶轮出口相互垂直的液力透平来说，在90度的拐角位置，该圆周方向的旋转分量与沿直线方向的速度分量对流体相互作用，使流体出现紊乱现象，进一步增加叶轮出口与壳体出口之间流体的阻力损失，使液力透平的水力效率降低。
发明内容
为了解决在壳体出口与叶轮出口相互垂直的液力透平中，流体流经叶轮出口与壳体出口之间部分时存在着水力效率损失严重的问题，本发明提出了一种采用全新结构的液力透平。该液力透平，包括壳体、叶轮以及导流器，所述导流器与所述壳体固定连接，并且所述导流器的工作面与所述叶轮的出口端沿水平方向相向对应；在所述导流器的工作面上沿圆周方向均布有多个导流叶片，并且形成位于所述导流器中心位置的导流进口和位于所述导流器边缘位置的导流出口。
优选的，所述导流叶片为弯曲型叶片，并且所述导流叶片的弯曲方向与所述叶轮的旋转方向相同。
进一步优选的，所述导流叶片的叶片进口安放角和出口安放角相等，并且与所述叶轮中叶片出口安放角相同。
进一步优选的，所述导流进口与所述叶轮出口位于同一水平直线上。
进一步优选的，所述导流器的导流进口直径尺寸不大于所述叶轮的出口直径尺寸。
优选的，所述导流器中的导流叶片数量与所述叶轮中叶片的数量相差一个。
优选的，所述导流叶片的宽度与所述叶轮进口宽度相等。
优选的，所述导流器与所述壳体采用螺栓连接。
本发明的液力透平与常规未设置导流器的液力透平相比较，具有以下有益效果：
1、本发明的液力透平，通过在壳体上设置导流器，并且将导流器中设有导流叶片的工作面与叶轮出口沿水平方向相向对应，使得从叶轮出口流出的流体在通过转向进入壳体出口位置前，首先进入导流器，并且在导流器中导流叶片的导流作用下进行流动转向。这样，在导流叶片的导流作用下，可以避免流体在沿直线速度和沿圆周分速度的共同作用下进行转向时出现的流体紊乱现象，从而降低由此引起的湍流阻力损失，提高液力透平的水力效率。
2、在本发明中，导流叶片采用弯曲型叶片并且弯曲方向与叶轮的旋转方向相同，以及导流叶片的叶片进口安放角和出口安放角相等，并且与所述叶轮中叶片出口安放角相同。这样，不仅可以最大限度的降低流体进入导流器时，导流器对流体沿圆周方向分速度的干扰，降低流体进入导流器的阻力损失，而且在导流叶片的导流作用下，流出导流器的流体仍然保持一定的沿圆周方向分速度，进而借助该沿圆周方向的分速度使远离壳体出口的流体可以快速的沿壳体内壁流至壳体出口位置，从而避免在叶轮出口与壳体出口之间出现流体的流动停滞现象，保证流体可以快速进入壳体出口位置，降低叶轮出口与壳体出口之间的阻力损失，提高液力透平的水力效率。
附图说明
图1为本发明液力透平的结构示意图；
图2为图1中的导流器沿F方向的结构示意图；
图3为对本发明液力透平进行CFD数值模拟试验时，获得的位于壳体出口侧流体的速度云图；
图4为对常规未设置导流器的液力透平进行CFD数值模拟试验时，获得的位于壳体出口侧流体的速度云图；
图5为对本发明液力透平和常规未设置导流器的液力透平进行CFD数值模拟对比试验时，获得的水力效率曲线对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明中的技术方案进行详细介绍。
结合图1和图2所示，本发明的液力透平，包括壳体1、叶轮2以及导流器3。其中，叶轮2位于壳体1的内部，并且叶轮出口21的方向与壳体出口11的方向相互垂直。
导流器3与壳体1固定连接，并且位于壳体1中远离叶轮2的一侧。其中，在本发明中，导流器3与壳体1之间采用螺栓4进行固定连接，以便于实现导流器3的拆装。导流器3与壳体1固定连接后，导流器3的工作面31位于壳体1的内部，并且沿水平方向与叶轮2的叶轮出口21相向对应。此外，沿叶轮2的圆周方向，在工作面31上均匀设置有多个导流叶片32，并且在相邻两个导流叶片32之间形成由导流器3中心位置指向导流器3边缘位置的流道。其中，流道中靠近导流器3中心位置的一端为导流进口33，用于流体进入导流器3；流动中靠近导流器3边缘位置的一端为导流出口34，用于流体流出导流器3。
此时，当流体从叶轮出口21流出并沿水平方向流至导流器3处时，通过导流进口33进入导流器3，在导流叶片32的导流作用下，沿导流器3内部的流道流至导流出口34，进而到达壳体出口11位置。这样，通过在壳体1中与叶轮出口21相向的位置设有具有导流叶片32的导流器3，可以对流体的转向过程进行导流作用，并将沿圆周方向的分速度和沿直线方向的分速度进行隔离，避免流体在进行直角转向时，出现严重的流体紊乱现象以及由此引发的湍流阻力损失，从而降低水力损失，提高水力效率。
优选的，在本发明中，导流叶片32采用弯曲型叶片，并且导流叶片32的弯曲方向与叶轮2的旋转方向相同。进一步优选的，导流叶片32的叶片进口安放角和出口安放角相等，并且与叶轮2中叶片出口安放角相同。这样，流体在叶轮2的叶片作用下，具有圆周方向分速度流出叶轮2并沿水平方向流至导流器3的导流进口33时，由于导流叶片32的叶片安放角与叶轮2的叶片出口安放角相同，即两者的叶片型线相同，所以在流体流至导流器3处时，可以在不改变其流动状态和速度的情况下，快速通过导流进口33并进入导流器3。从而保证在流体质点由叶轮出口21流至导流进口33并进入导流器3的过程中，流体质点运动轨迹的稳定性，避免了流体速度的突变，进而降低速度梯度，减少水力损失。
此外，由于导流叶片32的叶片进口安放角与出口安放角相等，并且叶片型线与流体的圆周方向分速度螺旋线相匹配，这样流体进入导流器3后，导流器3并不对其圆周方向的分速度产生较大的改变，并且流体在导流叶片32的导流作用下，再次流出导流器3时仍然保持一定的沿圆周方向分速度。因此，对于从远离壳体出口11一侧导流出口34流出的流体来说，即从图1中开口向下的导流出口34流出的流体来说，流体在沿圆周方向分速度的作用下，可以沿壳体1的内壁快速流至壳体出口11位置，从而避免在远离壳体出口11一侧出现流体的流动停滞现象，提高流体通过导流器3进入壳体出口11的速度。
另外，在本发明中，将导流进口33与叶轮出口21设置在同一水平直线上，以及将导流器3中导流进口33的直径尺寸设置为不大于叶轮出口21的直径尺寸。这样，不仅可以使叶轮出口21流出的流体，在沿水平移动方向与导流进口33的高度位置相匹配，而且使所有具有沿圆周方向分速度的流体都可以快速进入导流器3并获得导流叶片32的导流作用，从而保证流体进入导流器3过程的稳定性，降低水力损失。
优选的，导流叶片32的数量与叶轮2中叶片的数量相差一个。例如，当叶轮2中叶片的数量为6时，导流器3中的导流叶片32的数量为5或7。这样可以避免在叶轮2和导流器3之间出现水力激振现象，防止叶轮2中的叶片和导流叶片32出现疲劳损失以及裂纹和断裂的情况，从而提高叶轮2和导流器3的使用寿命，保证液力透平工作的稳定性和效率。
另外，在本发明中，将导流叶片32的宽度设计为与叶轮进口22的宽度相等。这样，可以使通过导流器3的流量与通过叶轮2的流量保持相等，实现导流器3对流体的最大导流效率，从而避免由于导流器3无法快速完成对流体的导流工作，而在叶轮2与导流器3之间出现流体的流动停滞现象，以及由此引起的流体阻力损失。
接下来，通过CFD数值模拟对本发明液力透平与常规未设置导流器的液力透平的水力性能进行对比测试。其中，
液力透平的主要参数为：壳体进口直径为125mm，壳体出口直径为125mm，叶轮进口宽度为16mm，叶轮进口直径为308mm，叶轮出口直径为112mm，叶轮中叶片的数量为6，叶片的进出口角分别为：28°和36°，叶片的包角为172°。
导流器的主要参数为：导流进口直径为112mm，导流出口直径为308mm，导流叶片数量为7，导流叶片宽度为16mm，导流叶片的进出口安放角均为36°。
首先，对位于本发明液力透平的壳体出口侧以及常规未设置导流器的液力透平的壳体出口侧的流体分别进行三维建模。接着，采用ICEM划分四面体网格，并且CFD数值模拟采用RNG k-ε湍流模型，边界条件为速度进口和压力出口。然后，应用ansys17.0进行数值模拟。
其中，对本发明液力透平中壳体出口侧内的流场进行数值模拟，获得如图3所示的流体速度云图；对常规未设置导流器的液力透平中壳体出口侧内的流场进行数值模拟，获得如图4所示的流体速度云图。
通过图3和图4的对比分析可知，由于本发明的液力透平中设有导流器3，使流体速度在壳体出口侧内部的整个区域内均匀分布。此外，与位于导流进口33位置的流体的流速相比较，在导流叶片32的作用下，位于导流叶片32之间以及壳体出口侧区域的流体的流速均有所提升，并且流速的提升幅度稳定。这样，在保持流体流动稳定的情况下，可以进一步提高流体通过导流器3并进入壳体出口11的速度，避免了出现流体流动停滞的现象，从而降低了发生在叶轮出口和壳体出口之间的水力损失。
然而，与本发明的液力透平相比较，在常规未设置导流器的液力透平中，流体速度在壳体出口侧内部的整个区域内分布存在明显的差异。其中，在远离壳体出口11的位置，流体处于低流速状态，甚至低于导流进口32所在区域的流体流速；在靠近壳体出口11的位置，流体处于高流速状态，并且在局部的小区域内流速快速提升至峰值。这样，不仅流体速度在壳体出口侧的分布非常紊乱，存在着极大的速度梯度以及由此产生的严重水力损失，而且由于位于远离壳体出口11位置的流体流速很慢，出现流体流动停滞的现象，而由此又进一步阻碍了流体进入壳体出口11的速度，增大了流体的流动阻力和水力损失，降低了水力效率。
进一步试验验证，调整CFD数值模拟中的相关参数，对本发明液力透平与常规未设置导流器的液力透平进行全工况范围内的水力效率试验，并获得如图5所示的曲线对比图。从图5可以进一步验证上述对图3和图4的对比分析，由于导流器3的存在，使本发明液力透平在不同流量工况时的水力效率都比常规液力透平的水力效率高，并且水力效率平均提高5％左右。其中，在小流量的工况下，本发明液力透平的水力效率提高最为明显，比常规未设置导流器的液力透平的水力效率提高将近7％。
Claims (7)
1.一种液力透平，包括壳体和叶轮，其特征在于，还包括导流器，所述导流器与所述壳体固定连接，并且所述导流器的工作面与所述叶轮的出口端沿水平方向相向对应；在所述导流器的工作面上沿圆周方向均布有多个导流叶片，并且形成位于所述导流器中心位置的导流进口和位于所述导流器边缘位置的导流出口；所述导流叶片为弯曲型叶片，并且所述导流叶片的弯曲方向与所述叶轮的旋转方向相同。
2.根据权利要求1所述的液力透平，其特征在于，所述导流叶片的叶片进口安放角和出口安放角相等，并且与所述叶轮中叶片出口安放角相同。
3.根据权利要求2所述的液力透平，其特征在于，所述导流进口与所述叶轮出口位于同一水平直线上。
4.根据权利要求3所述的液力透平，其特征在于，所述导流器的导流进口直径尺寸不大于所述叶轮的出口直径尺寸。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的液力透平，其特征在于，所述导流器中的导流叶片数量与所述叶轮中叶片的数量相差一个。
6.根据权利要求1-4中任意一项所述的液力透平，其特征在于，所述导流叶片的宽度与所述叶轮进口宽度相等。
7.根据权利要求1-4中任意一项所述的液力透平，其特征在于，所述导流器与所述壳体采用螺栓连接。
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