蜗壳进口截面对液力透平外特性的影响

本章选择一单级离心泵作液力透平为研究对象，其离心泵设计参数为：流量90m³/h，扬程93.6m，转速2900r/min，比转数55.7。该离心泵作液力透平的主要几何参数见表5⁃1。

表5⁃1 液力透平的主要几何参数

由于蜗壳进口截面形状为圆形，所以本章可在所选研究对象的基础上通过减小蜗壳的进口直径（简称：小蜗壳进口）和增大蜗壳的进口直径（简称：大蜗壳进口）来研究蜗壳进口直径分别为50mm、65mm、80mm和100mm时蜗壳进口截面面积对该液力透平性能的影响，如图5⁃1所示为利用Pro/e软件建立的在不同蜗壳进口截面面积下的几何模型。

图5⁃1 不同蜗壳进口截面下的几何模型

a）D₅=50mm b）D₅=65mm c）D₅=80mm d）D₅=100mm

本章采用非结构网格对模型进行划分，划分好之后进行了网格无关性的研究。利用ANSYS⁃FLUENT软件采用了基于压力的求解器，以稳态法进行求解。液力透平进口边界被设置为速度进口，出口边界被设置为压力出口，通过改变进口流量来获得液力透平的外特性曲线。设置计算收敛的标准为10^-5，壁面粗糙度被设置为50μm，输送介质设为常温清水，然后采用SIMPLEC算法做相应的计算，湍流模型被选为k-ε湍流模型，过流部件动静结合部位被设置为interface连接。

如图5⁃2所示为在最优工况下蜗壳进口截面面积对液力透平性能的影响规律。不同蜗壳进口截面面积下最优效率点的对应值见表5⁃2。(www.xing528.com)

从图5⁃2可以看出：随着蜗壳进口截面直径的不断增大，液力透平的效率也随之逐渐增加，而当蜗壳进口截面直径等于80mm时，液力透平的效率突然下降。由所选模型的几何参数可知，该液力透平的蜗壳进口截面的设计直径为80mm，又因为本章是将离心泵用作液力透平，因此通过研究可知当直接将离心泵用作液力透平时，所得到的液力透平的效率并不是其最佳效率，需进行一系列的改进才能使液力透平的性能较好。由于对液力透平性能的影响因素较多，所以本章只研究蜗壳进口截面面积对液力透平性能的影响。

图5⁃2 蜗壳进口直径对液力透平性能的影响

表5⁃2 不同蜗壳进口截面下的最优效率点的对应值

从图5⁃2还可以看出，液力透平的水头和功率随着蜗壳进口截面直径的增大先减小后增加。由表5⁃2可知当蜗壳进口截面直径等于65mm时液力透平的效率最高，比蜗壳进口截面直径等于80mm时高出1.83%。因此可以看出对于本章所选的离心泵用作液力透平时，其最佳的蜗壳进口截面直径为65mm。

如图5⁃3所示为不同蜗壳进口截面直径下液力透平的外特性曲线。由图5⁃3可知液力透平的水头随着流量的增加而增大，当流量较小时差别较小，随着流量的增加其差别逐渐增大。还可以看出液力透平的功率随着流量的增加而增大，在小流量时其差别较小，随着流量的增加大小蜗壳进口之间的功率变化比较接近，在不同流量下小蜗壳进口下的功率和水头均大于大蜗壳进口下的功率和水头。当蜗壳进口截面直径等于65mm时液力透平的效率最大。在小流量工况下，当蜗壳进口截面直径等于50mm和100mm时对应的液力透平效率最小，随着流量的增加，当蜗壳进口截面直径等于50mm时对应的效率增加较快，增加到与蜗壳进口截面直径为65mm时的效率非常接近，而随着流量的继续增加，蜗壳进口截面直径等于50mm时对应的效率却减小最快，且小于其他模型的效率。