介質黏度對泵作透平特性的影響*

2020-07-21 05:39:52畢智高李貝貝相玉琳褚佳曼

化工科技 2020年3期

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.陜西省低變質煤潔凈利用重點實驗室，陜西榆林 719000)

隨著能源危機和環境污染等問題的日漸突出，節能減排工作受到人們越來越多的關注。在中國煤化工、油氣儲運、石油煉化等工業生產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]，因此實現對液體余壓能量的回收和利用具有顯著的經濟和社會效益。液力透平是液體余壓能量回收領域最早研發的技術裝備，利用液力透平可將工藝流程中液體的富裕壓能轉換為透平轉子的旋轉機械能驅動耗功設備運行，實現對液體能量的回收和再利用[6-7]，從而達到節能目的。凡是有液體壓力能變化的地方，都能夠應用液力透平回收和利用液體能量，技術上有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]首次發現離心泵可以反轉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勢，同時還具有體積小、結構簡單、維護方便等諸多優點，因而得到了廣泛的關注和快速的發展。

目前對PAT的研究主要集中在選型[10-11]和流道結構優化設計[12-13]等方面，上述研究均在清水介質下進行，而對以黏油作能量回收利用介質的報道相對較少，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的性能產生影響[14]。

作者在已有工作的基礎上，以不同黏度的純液作為輸運介質，采用CFD方法分析探索介質黏度對PAT特性的影響規律。

1 幾何模型

選取管道泵SM73-40-10，該泵設計工況下的性能參數見表1。利用3種通常狀態下的純液作介質，其物性參數見表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

表2 介質物性參數

圖1 幾何模型

2 數值計算

2.1 計算方案

對建立好的模型生成非結構網格。對網格無關性檢驗發現，當整個計算域網格總數接近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上，研究模型的網格數量為120萬。

利用商業軟件ANSYS對透平計算域進行數值模擬，基于時均化的N-S(Navier-Stokes)方程和標準k-ε湍流模型。控制方程的離散基于有限體積法，動量方程和連續性方程采用SIMPLEC(semiimplicit method for pressure-linked equation consistent)算法聯立求解。邊界設為質量流量進口，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處理，計算收斂標準設為0.000 01。通過改變介質的動力黏度、密度及進口流量來分析介質黏度對PAT特性的影響。

2.2 實驗驗證

為了驗證數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，轉速轉矩儀用作讀出轉矩M和轉速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

數值模擬與實驗結果間的比較見圖3。

Q/(m3·h-1)

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

3 結果與討論

3.1 外特性

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

表3 PAT最高效率點性能參數

Q/(m3·h-1)

由圖4可知，相同流量下，隨著介質黏度的增大，PAT的效率下降，其中介質從清水變為黏油時下降明顯，而從黏油1變為黏油2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黏度的增大而增大，其中介質從清水變為黏油時增大顯著，而從黏油1換作黏油2時，壓頭曲線十分接近；相同流量下，功率隨介質黏度的增大而減小，其中介質從清水變為黏油時下降明顯，而從黏油1變為黏油2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密度的影響[16]，水的密度比黏油大約14%，因此水作介質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

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

a ν=0.893 mm2/s

3.3 速度分布

最優工況不同黏度介質時PAT中間截面速度分布見圖6。

a ν=0.893 mm2/s

由圖6可知，PAT內的速度分布不均，不均區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。與蝸殼內速度比較，動靜耦合面處介質速度相對較高，而隔舌附近及葉輪流道內流體速度相對較低，葉輪流道內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，流體流經葉片壓力面時受到葉片阻力使其速度下降[17]所致。不同黏度介質下，PAT內速度分布差異不大。

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%的區域內葉片壓力面靜壓出現一個小的波谷；此后到葉片出口約98%的剩余范圍內，葉片壓力面靜壓值均大于吸力面靜壓值，產生推動葉輪轉動的轉矩；葉片出口處的吸力面出現靜壓值增加，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，靜壓值隨介質黏度增大而降低。