液力透平的性能预测及气液两相的多级液力透平特性的研究

【摘要】液力透平能够将高压液体中的压力能回收转化为透平转子的机械能,并用于发电或者驱动泵、风机等工作机做功。泵反转做液力透平是液力透平的一种重要的形式,其主要包括单级和多级结构。如何选择合适的泵做液力透平是泵反转做液力透平研究的热点问题之一,而实际的生产工艺流程中的高压液体常常含有一定量的气体,并且当液体压力较大时需要用多级泵做液力透平来回收其能量。因此,本文利用人工神经网络的方法研究液力透平的性能预测,并用理论推导和数值模拟的方法研究气液两相多级液力透平的外特性和内部流场。1.建立BP和GA-BP神经网络来预测离心泵反转作液力透平的压头和效率。用63台离心泵作透平的参数作为训练两个网络的样本。以单级单吸离心泵的叶轮叶片出口直径D2、叶片包角φ、出口宽度b2和出口安放角β2、叶片数z和比转速ns作网络输入层,离心泵在透平工况下的压头H和效率η作输出层。用6组样本外的数据测试经训练后的两个网络的预测能力,并做网络预测值与试验值的相关性和线性回归分析。结果表明,BP网络对压头和效率预测的平均误差为5.33%和0.86%,GA-BP网络对压头和效率预测的平均误差为3.56%和0.46%。GA-BP网络预测精度高,预测结果与实验值相关性强,预测所用时间为BP网络的1/3,更适合做泵反转作液力透平的性能预测。2.在液力透平内,流体流过的时间很短,且设备一般作了保温处理,故可认为透平热力系统内的热力过程是可逆绝热的,与外界无热量交换；另外,由于气体介质所占比例较小,气体膨胀或压缩引起的介质内能的变化较小,可忽略不计。考虑可压缩理想气体的膨胀做功,在纯水介质的泵做透平的能量方程的基础上进一步推导得到气液两相介质时泵做透平的压头计算公式。3.以DG85-80五级节段式离心泵做液力透平,用CFD软件对透平入口的气体体积分数分别为0.05、0.10、0.15、0.20的气液两相介质的多级透平做数值模拟,分别得到其外特性曲线。结果表明：气体膨胀做功对液力透平能量特性的影响较大,气液两相介质的多级透平的轴功率和压头随着质量流量的增加而增加,透平入口气体体积分数越低其高效率的质量流量区域相对较大；随着透平进口气体体积分数的增加,透平在最优工况点的压头和功率均增加,水力效率和质量流量减小。从纯水介质的泵与气液两相介质的透平的换算系数曲线可以看出：流量系数h和功率系数p会随着透平入口气体体积分数φ的增大而增大；q值在1.5-1.7之间,随着φ的增大效率系数λ值减小,λ值在0.89-1.1之间。4.气液两相介质的多级液力透平的内部流场分析。气液两相介质的多级液力透平,从正导叶入口到叶轮出口的压力递减,叶片凸面压力大于叶片凹面压力；叶轮和导叶流道内介质的流动比较稳定,导叶凹面的流体速度大于凸面,叶片凹面的速度大于凸面速度,叶片凸面进口附近有一片漩涡区域；气体的体积分数从正导叶进口到叶轮出口逐渐增大,导叶凸面的气体体积分数低于凹面,叶片凹面的含气率比叶片凸面的含气率大。对于同一级叶轮-导叶,透平进口φ值增大或质量流量的增加,引起其叶轮-导叶各流道压力分布不对称性和不均匀性加剧,压力梯度变大,从正导叶进口到透平叶轮出口的速度差变大,导叶-叶轮流道内速度变化的梯度也较大,该级叶轮-导叶内总体的气体体积分数增大,叶轮-导叶内气体体积分数分布的不对称性加剧。
【作者】许亭；
【导师】杨军虎；
【作者基本信息】兰州理工大学，流体机械及工程，2014，硕士
【关键词】遗传算法；神经网络；性能预测；多级液力透平；气液两相；数值模拟；

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