CN210859027U - 具备隔板结构的液力透平蜗壳 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开的具备隔板结构的液力透平蜗壳，包括蜗壳本体，蜗壳本体内沿流道中心线设置有一隔板，隔板将蜗壳本体内分隔为远离蜗壳本体中心点和靠近蜗壳本体中心点两个区域；隔板头部位于蜗壳本体入口处，隔板尾部沿蜗壳本体内圆弧段延伸90‑225°。本实用新型具备隔板结构的液力透平蜗壳，通过设置隔板能够有效的控制两相工质在蜗壳本体内的气液分离现象。从而使得透平内部气相分布重新调整，叶轮出口边的气相聚集现象消失，透平的效率和输出功率得到提高。
Description
技术领域
本实用新型属于液力透平技术领域，具体涉及一种具备隔板结构的液力透平蜗壳。
背景技术
液力透平是利用高压的流体作为工质把能量转化为可利用的机械能的一种装置，它的原理是根据高压工质和机械之间的相互作用工作的。从能量的传递过程来看，高压力的工质通过液力透平时所具有的能量总量会发生变化，高压工质的能量转化为透平转轮的机械能，然后去驱动或者辅助其他装置做功。在工业过程中，存在有许多将高压余能直接利用减压阀耗散的消能装置，若能将这些余能使用液力透平进行回收，一方面可以提高能源利用效率，降低污染排放；另一方面还可以给企业带来可观的经济收入。
液力透平在在一些工业流程中，其进口工质为两相气液混合物。研究表明，基于单相液体设计的液力透平，无论是泵反转液力透平还是水轮机式液力透平，它们在气液两相流工况时效率会明显下降，最大下降20％。透平在气液两相工况下效率降低的现象导致透平能量回收效率低，极大的阻碍了透平在工业应用中的推广和普及。
发明人通过对数值模拟结果的分析，发现在气液两相工况时，气液两相混合物在蜗壳内已经发生气相和液相的分离，随后含气不均匀的工质经过导叶进入旋转的叶轮，导致透平内流场分布恶化，叶轮出口边出现气相的聚集，透平的做功能力下降，效率降低。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种具备隔板结构的液力透平蜗壳，解决了工质在蜗壳内发生气液分离造成透平效率下降的问题。
本实用新型所采用的技术方案是：具备隔板结构的液力透平蜗壳，包括蜗壳本体，蜗壳本体内沿流道中心线设置有一隔板，隔板将蜗壳本体内分隔为远离蜗壳本体中心点和靠近蜗壳本体中心点两个区域；隔板头部位于蜗壳本体入口处，隔板尾部沿蜗壳本体内圆弧段延伸90-225°。
本实用新型的特点还在于，
隔板与蜗壳本体的轴向平行。
本实用新型的有益效果是：本实用新型具备隔板结构的液力透平蜗壳，通过隔板将两相工质从蜗壳本体的入口开始就分为两个部分，从靠近蜗壳本体中心点部分进入蜗壳本体的工质中液相工质沿隔板内侧表面运动，气相工质被排挤向蜗壳的出口边运动，进入导叶区域；远离蜗壳本体中心点部分的工质中液相工质沿蜗壳本体壁面运动，气相工质沿隔板的外侧壁面运动，经过隔板尾部之后，这部分工质继续沿蜗壳本体向前运动发生分离。能够有效的控制两相工质在蜗壳本体内的气液分离现象。
附图说明
图1是本实用新型具备隔板结构的液力透平蜗壳中隔板尾部沿蜗壳本体内圆弧段延伸90°的结构示意图；
图2是本实用新型具备隔板结构的液力透平蜗壳中隔板尾部沿蜗壳本体内圆弧段延伸135°的结构示意图；
图3是本实用新型具备隔板结构的液力透平蜗壳中隔板尾部沿蜗壳本体内圆弧段延伸180°的结构示意图；
图4是本实用新型具备隔板结构的液力透平蜗壳中隔板尾部沿蜗壳本体内圆弧段延伸225°的结构示意图；
图5是本实用新型具备隔板结构的液力透平蜗壳中隔板尾部沿蜗壳本体内圆弧段分别延伸90°、135°、180°和225°时的透平效率增量柱状图。
图中，1.蜗壳本体，2.隔板。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本实用新型进行详细说明。
本实用新型提供了一种具备隔板结构的液力透平蜗壳，如图1至图4所示，包括蜗壳本体1，蜗壳本体1内沿流道中心线设置有一隔板2，隔板2将蜗壳本体1内分隔为远离蜗壳本体1中心点和靠近蜗壳本体1中心点两个区域，优选隔板2与蜗壳本体1的轴向平行；隔板2头部位于蜗壳本体1入口处，隔板2尾部沿蜗壳本体1内圆弧段延伸90-225°。其中，隔板2尾部沿蜗壳本体1内圆弧段延伸位置优选为90°、135°、180°、225°。
工作时，隔板2将两相工质从蜗壳本体1的入口开始就分为两个部分，从蜗壳本体1进口靠近蜗壳本体1中心点部分进入的工质在隔板2内侧和蜗壳本体1出口边之间的区域运动，液相工质沿隔板2内侧表面运动，气相工质被排挤向蜗壳本体1的出口边运动，进入导叶区域；从蜗壳本体1进口上半部分进入的工质在隔板2外侧和蜗壳本体1壁面之间运动，液相工质沿蜗壳本体1壁面运动，气相工质沿隔板2的外侧壁面运动，经过隔板2尾部之后，这部分工质继续沿蜗壳本体1向前运动发生分离。
在工业应用的过程中，有许多的场合工质中含有溶解的或者未溶解的气体，这就要求透平在气液两相工况时能够高效稳定的运行。然而目前传统的带有蜗壳的液力透平在气液两相工况时表现不好，含气工质在蜗壳内就出现了气液的分离现象，当含气工质进入蜗壳后，由于气体的密度小于液体的密度，气体工质所受到的离心力较小，液体工质所受到的离心力较大，蜗壳内气相分布不均匀，导致进入转轮的工质含气率大小不同，加剧了叶轮内部气相聚集的现象，致使透平的外特性明显下降。
本实用新型具备隔板结构的液力透平蜗壳针对以上问题，通过设置隔板2从蜗壳本体1的进口把含气工质分为两部分，从下半部分进入蜗壳本体1的工质沿隔板2内壁面运动，上半部分工质沿蜗壳本体1外壁面运动，能够有效的控制两相工质在蜗壳本体1内的气液分离现象。从而使得透平内部气相分布重新调整，叶轮出口边的气相聚集现象消失，透平的效率和输出功率得到提高。此外，本实用新型还具备结构设计简单，易于生产制造的优点。
结果分析：
本申请采用ANSYS ICEM对蜗壳、导叶、双出水室和转轮四个部分分别划分网格，建立全流道数值模型。蜗壳部分建立非结构化的四面体和六面体网格，导叶、出水管及转轮建立结构化网格单元。透平本身在气液工质下内部复杂无序流动状态，为更好的进行数值模拟工作，在叶片和导叶的壁面建立8层边界层网格结构，同时对蜗壳的蝶形边、进出口边、壁面以及隔板的表面进行网格加密。计算时采用的网格总数约为728万。透平模型采用质量流量的入口设置，模型的双出水室采用静压出口。透平在气液两相工质下模拟时，在透平的进口工质中给定气体体积分数。气相工质在进口工质中均匀分布，然后进入透平工作。叶轮采用旋转坐标系，导叶蜗壳以及出水室采用静止坐标系。旋转坐标系和静止坐标系之间使用冻结转子坐标系的方法。液相工质采用无滑移，气相工质采取自由滑移的设置。两相流模型采取欧拉欧拉粒相模型，给定阻力系数，考虑气泡的直径，湍流模型使用更合适气液两相工质的SST k-ω模型。这样的设置虽然会在计算时要求更多的计算资源和计算时间，但精度和可靠性也更高。
之后对透平在进口工质中气相工质的体积分数为0.20的工况进行模拟。下表1是透平模拟时的工况点。
表1优选方案模型模拟工况点
如图5是隔板2尾部沿蜗壳本体1内圆弧段延伸位置分别为90°、135°、180°、225°的优选方案和未改型模型的效率的增量柱状图，从图中可以看出，在最优流量工况点，隔板2长度越长对模型效率影响越大，适当的隔板2干预两相工质在蜗壳本体1中的流动可以提高透平的效率，但随着隔板2长度的增加，透平的效率甚至不升反降；在0.85倍的最优流量工况(即中等流量工况)，180°的隔板2优选方案对透平的效率提高最为明显；在小流量工况时透平内两相工质的流动状态最为恶劣，效率最低，不同的隔板2优选方案都可以提高透平的效率，180°和225°的隔板2方案的改善效果最为明显。因此，透平在最优流量工况工作时，90°的隔板2方案最好，过长的隔板2反而会降低透平的效率；在中等流量工况和小流量工况时，180°的隔板2方案最好。
Claims (1)
1.具备隔板结构的液力透平蜗壳，其特征在于，包括蜗壳本体(1)，所述蜗壳本体(1)内沿流道中心线设置有一隔板(2)，所述隔板(2)与蜗壳本体(1)的轴向平行，所述隔板(2)将蜗壳本体(1)内分隔为远离蜗壳本体(1)中心点和靠近蜗壳本体(1)中心点两个区域；所述隔板(2)头部位于蜗壳本体(1)入口处，所述隔板(2)尾部沿蜗壳本体(1)内圆弧段延伸90、135°或225°。
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