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水轮机,离心泵和叶轮泵:透平机械入门

发布时间2019-11-04人气:106

水轮机,离心泵和叶轮泵:透平机械入门


随着世界人口的持续增长,能源需求也在增加。一段时间以来,我们家庭,工作乃至社交生活中的大多数常见设备都依赖于功能来发挥作用。发展中国家也更多地依靠重工业来促进繁荣。但是,趋势主题是气候变化和可再生能源。可以利用清洁能源来确保人口拥有维持其生活方式所需的力量,而不会耗尽重要资源。但是,这种力量究竟是如何产生的呢?

为了产生可再生能源,使用了自然资源,例如风能,太阳能,水能和势能。通常,空气或水资源的自然运动(如河流和强风地区)是通过感应电动势(EMF)的机械体转换为电能的,化学或太阳能除外,它们以其他方式利用能源大多数工业应用,例如蒸汽轮机,核电站和风力涡轮机都依赖于这种类型的转换。正如为减少人们对破坏环境的化石燃料的依赖而进行的电动汽车竞赛一样,对更清洁的发电方法的需求也在增加。尽管目前全球主要能源是煤炭(将近40%),而可再生能源约为6%,但越来越多的国家正在寻找可再生资源来替代它。

在这项研究中,我们关注一种占世界发电量约16%的绿色方法:水力发电。通过水轮机和水泵(例如离心泵及其叶轮泵组件)可以利用水源的动力。在这里,我们提供对透平机械应用中的涡轮机和泵的介绍性理解。

水轮机设计类型

共有三种类型的水轮机,您可以在水轮机设计类型概述找到更多信息三种类型是:

  • 脉冲式涡轮机,包括Pelton,Turgo和错流式涡轮机

  • 反应涡轮,包括螺旋桨涡轮,Kaplan涡轮和Francis涡轮

  • 重力涡轮机,包括过冲的水轮和阿基米德螺杆,阿基米德螺杆是经常用作反向涡轮机的泵

CFD分析显示流体流过带有叶轮泵叶片的离心泵 水轮机设计的流体流动模拟

对于脉冲涡轮,流体射流撞击一组弯曲的叶片,从而改变其速度方向并交换动量。这会在叶片上施加力,从而产生允许叶片旋转的扭矩。然后旋转会由于电磁感应而产生EMF。

相比之下,反作用式涡轮机在撞击水下涡轮机的螺旋桨或叶片时受到流体压力的变化驱动。涡轮内部的压降将现有的势能转换为驱动涡轮螺旋桨的动能。这类涡轮机需要一个外壳来连续保持流体压力。

在共享相似的涡轮机械机构的同时,涡轮机的作用是减少系统中的能量,而泵的目的是增加流体流的能量。为了解释泵的工作原理,让我们集中讨论一种非常流行的泵设计。离心泵。

离心泵;受欢迎的叶轮泵选择

内置叶轮泵组件的离心泵CFD分析离心泵CFD 分析

通常,工业使用离心泵来进行应用,包括泵送污水,处理食物或处理水。实际上,今天生产的泵中近85%是离心泵。这可能是由于它们具有多种功能,并且易于扩展到更大的应用程序。取决于它们将要处理的流体,是否存在低流量并因此需要增加压力,或者它们的安装方向,都可以轻松地适应离心泵。这导致离心泵的许多其他子类型获得了自己的名字。它们的大小和设计可能会根据所使用的应用程序而有所不同,但是它们的工作机制保持不变。

这种类型的泵将旋转能量(例如来自电动机的能量)转换为流体中的能量。它的两个最重要的组件是泵叶轮的内部,带有多个叶片的旋转元件以及确保压力不损失的外壳。水通过外壳中的孔眼轴向进入离心泵,并撞击内部的泵轮叶轮。

为了使离心泵发挥最佳性能,需要进行许多设计更改和测试。从物理上优化设计需要大量的人力和时间。为了在设计阶段降低成本,我们需要一个虚拟测试工具,使我们能够快速可靠地进行修改。差价合约为我们提供了这一优势。CFD分析可以帮助预测和可视化泵内的流体(水)流动,还可以使我们了解在哪里可以优化设计,甚至在泵本身生产之前。在下一节中,我们将讨论如何使用CFD优化泵的叶轮。

叶轮泵如何工作?

离心泵的关键部件是其叶轮,因为它将能量从泵马达传递到流体。叶轮泵依靠惯性,物体或流体在圆周运动中沿直线运动的自然趋势。碰到叶轮叶片的水自然会沿与半径相切的方向向外移动。由于流体被泵壳限制,因此产生了速度,该速度转化为压力。对任何泵叶轮的设计进行优化以确保可能的最有效性能至关重要。叶轮可能有一个,两个或没有外罩(叶片上的覆盖物),蜗壳或扩散器以捕获压力,并可能允许流体进入叶片的一侧或两侧。这意味着叶轮泵可能出现在许多不同的设计中,工程师或设计师需要找出最适合该应用的泵。

可以使用泵叶轮惯性矩等数据对泵叶轮进行瞬态分析,以测试效率。对于已经存在的泵,通常由供应商提供,但是在设计阶段,可以估计惯性矩在叶轮泵的设计上进行的流体流动分析可以揭示出它如何旋转,以什么速度旋转以及将产生的能量输出。这可以帮助工程师决定是否应修改叶轮泵的设计,例如通过包括其他叶片或在不需要时移除外罩的方法。

流体流动分析表明水在离心泵的叶轮泵叶片周围运动CFD帮助可视化离心泵中叶轮泵叶片周围的流动

尽管操作上相似,但包括离心泵及其泵叶轮在内的泵具有相似的设计特征,但导致应用范围相互矛盾。既然已经明确了两种涡轮机械机构之间的区别,我们将继续探索如何为水电应用优化涡轮设计。

优化水轮机设计

有可能以不同的方式适应水轮机的设计,以适应各种地形。海洋,海滩,水坝或瀑布等。只要有水作为水源,就有可能提取能量。

多彩的CFD分析显示水在水轮机中绕叶片运动在此处了解Designcraft如何使用CFD优化水轮机

新涡轮机的设计从一个简单的想法开始,然后演变为一个需要测试,原型设计和优化的概念。在原型制作之前测试产品的最有效方法是使用仿真功能,无论是水轮机叶片等零件的结构分析(FEA)还是评估流体在其周围流动的计算流体力学(CFD)。主要地,测试涡轮机的性能是基于诸如进入涡轮机的力,叶片速度,功率输出以及流动的流速之类的属性。

水轮机背后的物理学

为了计算施加在水轮机上的扭矩,必须首先评估动量交换。下图显示了一个弯曲的叶片,其射流以一定角度进入和离开。因此,动量的交换由于速度矢量(方向)的变化而发生。

涡轮叶片涡轮叶片

牛顿第二定律指出,力仅仅是动量的变化,可以是方向变化或标量变化:

牛顿第二定律

通过计算动量的变化,可以计算施加在涡轮叶片上的力。

第1步:

使用三角函数找到相对入口速度向量的x和y分量:

速度向量

第2步:

找到相对出口速度矢量(出口速度)的x和y分量:

速度向量

第三步:

找到在x方向上射流与涡轮叶片之间交换的力。该力等于质量流率乘以x方向上的速度变化。此外,为了计算质量流率,我们应该将流体的密度乘以射流的横截面积,然后乘以进入速度的标量值:

质量流量方程

第四步:

通过重复与步骤3中相同的过程,找到在y方向上射流与涡轮叶片之间交换的力:

力方程

步骤5:

为了找到施加在涡轮叶片上的总力,我们应该计算合力:

总标量力

要找到合力的倾斜角(α):

倾斜角度

如何计算相对速度

当涡轮机运转时,叶片以特定速度绕轴旋转。为了计算施加在叶片上的有效力,有必要计算进入的射流的相对速度。计算必须使用速度三角法来确定相对速度的大小和方向。

速度三角形用于优化水轮机设计速度三角形

U:叶片速度
Va1-in:进入射流的绝对速度
Va2-out:离开射流的绝对速度
V1rel-in:进入射流的相对速度,是U和Va1-in速度矢量的总和
V2rel-in:射流的相对速度,是U和Va2-out速度向量的总和

功率输出

涡轮的驱动力为:

用于计算叶轮泵或水轮机功率输出的计算

水轮机效率计算

为了计算水轮机的效率,我们应该找到功率输出与驱动动能之比。

用于确定叶轮泵或水轮机效率的计算

SI单位
力(:(N)
密度(:(kg / m3)
射流的截面积(Ac):m2 
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