（化工过程机械专业论文）工业油泥射流搅拌系统中动力涡轮水力性能研究及结构优化设计.pdf

浙江大学珂! ，f ：学位论文 摘要 在利用大型油罐进行原油储备过程中，为防止油罐底部油泥的大量沉积，在 大型油罐内部都要安装搅拌设备，旋转射流搅拌( r j m ) 是目前应用于油泥搅拌 的最有效、最安全的方法。国外对这种搅拌系统的研究已经取得较大进展，但国 内在这方面的研究仍处于起步阶段，尚无法开发可实际应用的性能优良的射流搅 拌系统。在r j m 系统的设计开发过程中，主机中动力涡轮的设计是一个难点。 本论文以大型工业油罐旋转喷射搅拌系统中动力涡轮的水力性能为研究对 象，在对涡轮进行结构设计的基础上，采用试验测试和数值模拟的方法对其水力 性能进行系统研究，探明涡轮水力性能的影响因素和控制方法，为其结构参数优 化设计提供依据，以满足r j m 系统实际工程应用的要求。 首先根据搅拌系统工艺对涡轮的设计要求，采用奇点分布法对涡轮的叶片进 行设计，并给出了涡轮的基本参数和叶轮叶片翼型木模图，完成了涡轮的整体设 计。然后根据r j m 的主机结构特点，自行设计并搭建了涡轮性能测试的试验台， 对涡轮多安装角度和流量等工况进行试验，并通过测试得到的数据绘制了反映涡 轮性能的转速、扭矩、功率、效率等特性曲线。同时，按照实际的结构参数和试 验台结构对涡轮进行三维建模采用流体力学数值计算的方法对该模型相应试验 工况下的流场进行仿真计算，得到了涡轮内部流场中压力、速度和涡量的分布情 况，通过叶片曲面上的积分计算得到了涡轮的外特性曲线，比较试验测试与数值 模拟的结果发现两者比较吻合，验证了数值计算模型和方法的准确性。并以此模 型对试验未测到的工况进行模拟。通过比较得出结论，设计工况的模型性能最好， 效率最高，也给出在一定条件下，其它模型的选用。 本文的研究结果一方面是r j m 系统设计过程中重要组成部分，为旋转射流 主机设计提供重要参数，具有工程实际应用价值；另一方面文中对涡轮的试验研 究和三维湍动流场的数值模拟研究结果及方法，对涡轮的设计优化具有理论参考 价值。 关键词：旋转射流搅拌动力涡轮水力性能叶片翼型 浙江大学硕：t 学位论文 a b s t r a c t i nt h ec o u r s eo fs t o r i n gr o c ko i lw i t hl a r g e - s c a l et a n k s ，m i x i n ge q u i p m e n tn e e dt o b ei n s t a l l e di ne a c ht a n kt op r e v e n tm a s so i l s l u d g ef r o md e p o s i t i n ga tt h eb o t t o mo f t h et a n k r o t a r yj e tm i x i n g ( r j m ) s y s t e mi st h es a f e s ta n dm o s te f f e c t i v em e t h o dt o m i xo i l s l u d g ea tp r e s e n t r e s e a r c h e so nt h i sk i n do fm i x i n gs y s t e ma r ew i d ea n d m a t u r ea ta b r o a d b u ti ti so ai n i t i a ls t e ph o m e a r e a ，a n dt h em i x i n gs y s t e mw i t h e x c e l l e n tp e r f o r m a n c ec a n n o tb ep r a c t i c a l l ya p p l i e dy e t i nt h ew h o l ep r o c e s so f d e v e l o p i n gr j ms y s t e m d e s i g n i n gt h ed r i v i n gt u r b i n eo fm a i nf l a m ei so n eo ft h ek e y p o i n t s i nt h i sp a p e r , t h eh y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ed r i v et u r b i n eu s e di nr j ms y s t e m f o rl a r g e - s c a l ei n d u s t r i a lo i lt a n k sa r es t u d i e d ，a n db a s e do nt h ed e s i g no f c o n f i g u r a t i o n ，t h eh y d r a u l i c c h a r a c t e r i s t i c so ft h et u r b i n ea r er e s e a r c h e dt h r o u g h e x p e r i m e n t a lt e s ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r sa n dc o n t r o l m o d eo ft h ep e r f o r m a n c ea r ea c h i e v e d i ti se x p e c t e dt oo f f e ri n s t a n c e st oo p t i m i z e s t r u c t u r ep a r a m e t e r s ，a n ds a t i s f yt h ed e m a n d so ft h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n 。 f i r s t ，a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fm i x i n gt e c h n i q u e s ，t h em e t h o do fs i n g u l a r i t y d i s t r i b u t i o ni si n t r o d u c e dt od e s i g nt h ei m p e l l e r so ft h et u r b i n e ，a n dt h ep a r a m e t e r so f t u r b i n es t r u c t u r ea n dt h ep r o f i l ef o r md r a w i n go ft h ei m p e l l e r sa r eg i v e n t h e n e x p e r i m e n tb e n c hf o rt u r b i n ep e r f o r m a n c et e s ti ss e l f - b u i l ta c c o r d i n gt ot r a i t so fr j m m a i nf r a m e m u l t i p l ew o r ks i t u a t i o n s ，v a r y i n ga n g l e ，f l u x ，e t ca r et e s t e d ，a n dt h e c u r v e so fr o t a t i o n a ls p e e d ，m o m e n t ，p o w e r ，e f f i c i e n c y , e t ct h a tr e f l e c t sc h a r a c t e r i s t i c s o ft u r b i n ea r ed r a w n a tt h es a m et i m e ，s i m u l a t i o nm o d e l i n go ft u r b i n ei sb u i l t a c c o r d i n gt oa c t u a ls t r u c t u r ep a r a m e t e r s s i m u l a t i o no ff l o wf i e l di sc a l c u l a t e dw i t h t h em o d e l ，u s i n gc f dt h e o r y , a n dt h ed i s t r i b u t i o n so fv e l o c i t y , p r e s s u r ea n dv o r t i c i t y i nt h ei n n e rf i e l da r eg a i n e d e x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i cc u r v e sa r eo b t a i n e db ym e a n so f i n t e g r a lo nt h eh o o df a c eo fv a n e s t h er e s u l t sg e t t i n gf r o me x p e r i m e n t a lt e s ta n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o na r ec o m p a r e d ，a n di ti sf o u n dt h a tt h e ya r em a t c h i n g , w h i c h i n d i c a t e st h a tt h es i m u l a t i o nm o d e ii sc o r r e c t t h ew o r ks i t u a t i o n st h a ta r e n tt e s t e di n l i 一 塑坚茎堂型型：兰竺丝苎 t h ee x p e r i m e n ta r gt e s t e dw i t ht h es i m u l a t i o nm o d e l i ti sc o n c l u d e d ，t h r o u g ho u tt h e a n a l y s i s ，t h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h ed e s i g n e dm o d e lw o r ks i t u a t i o ni st h eb e s t ，w h i l e t h eo t h e rm o d e l sh a v et h es u i t a b l ea p p l i c a t i o n ，t o o t h er e s u l to fs t u d yi nt h i sp a p e r ，o nt h eo n eh a n d ，i sa ni m p o r t a n tp a r to fr i m s y s t e md e s i g n ，o f f e r si m p o a a n tp a r a m e t e r sf o rt h ed e s i g no fr o t a r yj e tm a i nf r a m e ， a n di s p r o v i d e dw i t hp r a c t i c a le n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n ；t h er e s u l t sa n dm e t h o do f e x p e r i m e n ta n d3 - dt u r b u l e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft u r b i n e ，o nt h eo t h e rh a n d ，h a s t h e o r e t i c a lv a l u et oo p t i m i z et u r b i n ed e s i g n k e yw o r d s ：r o t a r yj e tm i x i n g ；h y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c so fd r i v et u r b i n e ；v a n ea e r o f o i l 浙江大学顾：l = 学位论文 第一章绪论弟一覃箔化 1 1 研究背景及意义 本论文的课题来源于宁波科技计划项目大型工业原油罐旋转喷射混合 系统研制。项目的关键技术是对搅拌系统主机的结构设计和内部流场研究，尤其 是喷嘴、动力涡轮及调速机构结构优化设计。其中，动力涡轮的结构设计及其水 力性能与内部流场的研究是本论文的主要研究内容。 1 1 1 实现大型油罐射流搅拌的必要性与迫切性 从大环境的角度看，随着人类社会的飞速发展，主要是二十世纪中后期，能 源的消耗需求量也在迅速增加。但是，地球上的可利用能源尤其是一次性能源是 有限的，所以，能源问题早已经成为世界各国十分重视的问题，能否占有发展所 需的资源关系到整个国家的前途和命运。我国的能源，特别是被称为现代工且血 液”的原油，其产量远远达不到国民经济和社会发展的需求，对国外的依赖性很 强，仅2 0 0 4 年中国的进口原油就超过l 亿吨，而且在持续高油价的情况下，2 0 0 5 年进口量也达到1 2 7 亿吨，可见于报端。中国已经成为居美国、日本之后的第 三大原油进口国。中国的进口原油中包括对原油的战略储备，而存储这部分战略 储备原油需要大量的大型工业原油储罐。目前，中国已经建成的原油库中的大型 原油储罐容量，最大的是在广东茂名建成的1 2 5 万立方油罐。最近，在中国的 宁波还有一批己经规划的1 0 万立方大型油罐正在建设中，这为我国的原油战略 储备提供了保证。但是，原油长期储存在原油罐中，其中的碳氢化合物、蜡、沥 青质、泥砂和水等杂质和重组分将因为重力作用沉淀在罐底淤积成半固态的沉积 物。这些沉积物( 被称之为油罐底泥或油泥) 严重影响了油罐的存储能力及安 全。面对罐内油泥越积越厚的问题，起初只采用入罐清洗的办法，如机械式清洗、 化学清洗、水力清洗、蒸汽清洗等方法，将罐底油泥清出罐外，油罐清洗的劳动 强度大，危险性高，所需周期长。 由于原油罐中的油罐底泥中包含许多尚可再利用的有益成分，如果等它沉降 浙江大学硕：l 学位论文 之后再将其进行清除出罐，既增加了劳动量和生产成本，又是一种巨大的资源损 失和浪费。而且清洗的过程中，油罐必须处于空置状态，清洗的过程所产生的废 弃物对环境造成了污染，这与生产的绿色发展不相适应。为了解决原油罐中的沉 积问题，“防”优于“治”的思想开始产生，于是在以往设计的一些大型原油储 罐上均设有搅拌装置，主要采用的是桨叶式搅拌器( 图卜1 ) ，通过间断式的搅 拌防止油泥的大量沉积。叶轮搅拌器的安装方式均为从罐壁开大孔，桨叶水平伸 人罐内。通过对以往所设计的大型油罐搅拌器的观察发现，这些桨叶式搅拌器无 论采用机械密封还是填料密封均不同程度地存在着漏油问题，尤其在运转时，漏 油问题比较严重。桨叶式搅拌器都直接由电机带动，由于电的存在加之无法避 免的泄漏问题，安全也存在着隐患。另外，桨叶搅拌不均匀，罐内存在搅拌死区， 而且设备的安装工程量比较大，费用也比较高。 图卜1桨叶式搅拌器结构示意图 l 、电机2 、支撑架3 、法兰4 、罐壁5 、填料密封6 、搅拌轴7 、柴叶 据统计，油泥一般可以占到储罐容量的2 ，换言之，一座1 0 万立方米的油 罐就能沉积2 0 0 0 立方米的油泥。这些油泥减小油罐的存储能力，不利于排水作 业，加速罐底板腐蚀破坏，对油罐危害极大。如果清洗油泥，则影响油罐的正常 运行，浪费了资源而且清出的污物又破坏了环境，而安装桨叶式搅拌器预防油泥 沉积的效果不理想，存在安全隐患等缺点。因此，油泥成了原油在大型工业储罐 中长期存储所面临的一个难题，亟待解决。 为了解决大型原油储罐中的油泥沉积问题，同时克服采用桨叶式搅拌器存在 的缺点，国内外石油行业和相关科研部门对实用有效的搅拌系统进行了探索研究 和开发。近年来，国外研制成功的旋转射流搅拌系统( 简称r j m 系统) 对解决油 2 浙江大学颤：f ：学位论文 泥沉降问题初有成效，不仅克服了原来桨叶式搅拌设备存在搅拌死角以及安全性 等方面的不足，搅拌效果也十分显著1 2 ) 。比如，日本石油精制公司采用皮托管 射流器对储油罐进行了清淤工作，并将该喷射器安装在罐内，每月运转2 4 h ，一 年之后罐内也无淤渣沉积出现，可大大减少油罐清洗次数。据估计，对于1 万立 方米的油罐，每减少清洗一次，可节约人工、材料等费用1 2 万元，如果实现热 油搅拌，又可节省加热盘管方面的费用，经济效益十分显著。目前，国内在这方 面的研究还处于起步阶段，设计制造同类设备的关键技术还有待于深入研究。我 国在大型工业油罐搅拌上还是以使用桨叶式搅拌器为主，部分储罐安装了以高昂 的价格从国外进口的射流搅拌系统。对进口的依赖限制了射流搅拌系统在我国的 推广使用。在这种形势下，本课题将对该项技术进行研究并自主设计开发同类产 品，实现国产化，打破国外对该项技术的垄断。 11 2 r j m 系统的主要结构及原理 如d i 所述，旋转射流搅拌器是近些年来研究开发的用于大型工业原油罐的搅 拌系统，虽然不同型号的系统具体结构各有不同，但都基本类似，工作原理也基 本相同，现分别作以简要介绍。 ( 1 ) 系统结构 一套完整的r j m 系统“。，如图卜2 所示，主要包括循环油泵、旋转喷射器、 过滤器、工艺配管及其配件，其中，旋转喷射器是系统的主体，也是整个系统的 技术核心和关键部件，同时也是系统设计时的难点所在。 图卜2r j m 系统原理图 l 、循环泵2 、管路3 、旋转喷嘴4 、油罐 循环油泵可以是普通的离心式水泵，它必须满足出流喷射、动力涡轮及管路 浙江大学硕士学位论文 损失等系统总能量要求，需要根据具体的流量和扬程要求选择恰当的型号。 r j m 系统的主体结构，如图卜3 所示，主要由轴流涡轮、喷嘴、调速机构等 组成。其中轴流涡轮是动力机构，由循环泵输送过来的高速流体在从喷嘴喷射之 前，先要经过涡轮机构，它的作用是把流体的部分压能转化成机械能，通过自身 旋转传递给调速机构，所以它是调速机构的直接动力来源，因而被称为动力涡轮。 喷嘴的结构对射流的搅拌效果有直接的影响，一个好的喷嘴能够在同样的能量损 失下，产生较远的射程和在射程内对油泥的打击力。主体为双喷嘴结构而且两 个喷嘴成1 8 0 。偏心布置。喷嘴的出口口径是影响喷嘴性能的重要参数，同时也 决定射流的喷吐能力，另外，喷嘴的收缩角是决定喷嘴性能的另一个关键参数， 在喷嘴的设计中，一般要通过试验或数值模拟的方法对不同参数组合的结构进行 l 调速机构 2 壳体 3 喷嘴 4 动力祸袍 图1 - 3r j m 主体结构示意图 比较，寻找最佳结构形式。通过试验发现，油泥的打击屈服压力近似为0 5 m p a ， 即打击压力只有达到该数值时，油泥才开始被破坏剥落”。这样通过该压力所对 应的靶距，可以估计确定相应喷嘴结构的有效打击破坏油泥的射程，进而确定喷 嘴的结构参数。r i m 系统主体结构中的调速机构主要是起到控制主体在低转速状 态下运转的作用。一般情况下，为了保证射流搅拌的充分程度，工艺要求主体具 有很低的转速，例如，工艺要求主体在两个小时旋转一周，调速机构就要将涡轮 输入的转速降到要求的水平再传递给主体。调速机构因为主体空间有限，在满足 4 浙江大学硕卜学位论文 功能要求的前提下，结构的体积一般要求尽量节省，而且运行要平稳，绝对不允 许有卡死的现象出现，否则，整个系统就失效了。除了上述的动力涡轮、喷嘴和 调速机构三个主要的组成部分外，主体还要求具有有效并且可靠的密封结构，其 中包括轴套与壳体之间、压盖与壳体之间的静密封以及转轴处的动密封。所有的 这些部件，都具有举足轻重的作用，任何一部分失效都将导致系统瘫痪，所以在 设计的过程中，对于它们的结构一般都要经过仔细斟酌。 系统中的管路，由图卜2 可以看出，连接了所要搅拌的油罐区的多个油罐， 并联网状分布，必须保证管路的畅通。在管路的入口一般都有过滤器，以防止大 颗粒或块状物进入管路，损坏系统主体或堵塞管路。 总体而言，r j m 系统的结构比较简单，没有像桨叶式搅拌器那种密封要求的 技术难题。 ( 2 ) 工作原理 r j m 系统运行时，由循环泵加压输出的原油供给到出口驱动轴流涡轮，被压 送出来的原油传送到主机( 喷嘴) ，涡轮产生的旋转力和射流的反冲力使主机自 动水平启转，并通过在构造上完全隔离的调速机构的传动调节来限制主机的旋转 速度。在启动时，由于两个喷嘴的喷射方向具有一定的偏心距离，高速的油流通 过喷嘴喷射时产生一对反作用力，形成一个转动力矩，实现喷射器的水平启转。 系统通过高压射流把油高速喷射出去，打碎罐内将要堆积形成的淤渣使其溶解， 同时使罐内的原油因射流发生对流，从而起到全方位的搅拌作用，这显然与传统 的桨叶式搅拌工艺相比有着相当多的优越性。r j m 系统为了防止沉积物的形成而 永久装在储油罐内。 综上所述，总结r j m 系统的特点是： ( 1 ) 适用范围广 不管是大型油罐还是小型油罐，均可使用。对于不同的容量的油罐，只要调 整主体的结构参数，如喷嘴的口径，就可以满足要求。系统的这个特点使它可以 设备型号系列化。 ( 2 ) 性能优良 系统克服了以往的油罐搅拌器在搅拌过程中流速区存在着死角的缺点，而且 高速喷射的原油能够充分搅拌和溶解堆积油渣，此外，系统的运转比较平稳，避 5 浙江大学硕一j 学位论义 免了桨叶式搅拌方式对环境的噪声污染。 ( 3 ) 具有耐久性 喷射器的结构简单，而且没有易损部件，所以其耐久性和耐磨性优越，一般 寿命可达1 5 年以上。系统基本上是一个管路结构，只要能够保证管路的畅通， 系统就可以有效工作。 ( 4 ) 经济性 一方面，r j m 系统在罐前不需要配电，因此不用铺设很长的电缆线路，而且 耗电量小；一方面，它基本不需要维修工作，减少了维护保养的工作负担：另 方面，系统可在短时间内完成搅拌和溶解，大大延长了油罐的清洗周期，因此降 低了运转成本，同时，油罐检查时的清洗工作也简单化了，可大幅度地减轻清理 费用。 ( 5 ) 安全性 安全问题是生产上最应当重视的问题，尤其是在这种规模性的原油储备区， 安全问题显得尤为重要。而r j m 系统在罐前没有电机等电力设备，不存在设备的 线路漏电或驱动轴过热引起的安全隐患，而且因为没有罐壁上的轴口密封，不会 漏油，保证了安全。 ( 6 ) 安装简单且安装成本低。 r j m 系统是永久性安装于罐内的，而且安装时只需安装循环管线和泵，对已 建设的油罐也容易安装，可以应用原有的泵和配管。 本文作为r j m 系统研究开发的一部分，主要完成对其中的动力涡轮进行结构 设计及其性能研究工作。 1 3 国内外研究现状 主机内的轴流涡轮是该系统调速机构的驱动源，也是该设备中的关键部件之 一，它的运转性能直接影响系统的运转稳定性，而且其过流流场也影响其后的主 机射流流场和搅拌效果，因此有必要对涡轮的设计及性能进行研究。 1 3 1 涡轮研究与应用的发展及现状 涡轮作为水能向机械能转换的装置由来已久，远在公元前几个世纪，中国就 6 浙江大学硕：卜学位沦文 出现了利用水力作为原动力的简单机械水轮，它是最古老的水力原动机。在 同一时期，希腊出现了浸在水里由水轮带动的水磨。后来，我国又出现了用水排 作为鼓风动力的机械，还有用水轮带动的水磨等，那时候主要是利用水的重力 和冲击作用使水轮转动，水轮的外形尺寸比较大，而效率都比较低，并且输出功 率也很小。一直到十八世纪中期，英国人巴克。3 ( b a r k o r ) 、匈牙利人辛格涅尔 ( s c e n g e n i o r ) 提出了一种新型的水利原动机，类似于现代的水轮机，这时候的 水轮效率已经可以达到4 5 左右了。十八世纪初，法国学者设计了一种水力原动 机，主要有导向和转轮两部分组成，转轮由弯板环绕转动轴构成流道，在这种原 动机中的水流作漩涡运动，从此开始把水力原动机称为水轮机或水力透平( 英文 t u r b o ，有螺式旋涡之意) 。随后当时法国的另一位学者弗聂隆”。( f o u r n e y r o n ) 提出了第一种实用的水轮机，水流由轴心向外流动，是一种导叶不动的离心式水 轮机，其效率可以达到7 0 ，已经可以广泛使用。这时的水轮尺寸仍然很大，直 到十九世纪中期，英国著名工程师弗兰西斯”。( f r a n c i s ) 提出了水流从外向内流 动的向心式水轮机，尺寸大大减小。这种机型设有圆锥形的尾水管，充分利用了 转轮出口的动能，具有现代水轮机的主要特征，经过改善，发展成为目前广泛使 用的混流式水轮机。现在使用的轴流式水轮机的原形是捷克人卡普兰”。( k a p l a n ) 于1 9 1 2 年提出的，是一种带有外轮环的、叶片固定的定桨式水轮机，转轮的进 出口水流接近轴向，叶片数少，极大地增加了叶轮的过流面积，提高了过流量。 后来，卡普兰又提出一种取消外轮环，并使叶片的转动具有双重 封节方法的转桨 式水轮机，至今有时仍称轴流式水轮机为卡普兰特式水轮机。五十年代，为了开 发低水头提出了轴流灯泡式水轮机。1 9 5 2 年，瑞士人杰斯阿兹”。( d e r i a s ) 提 出了新型的双重调节的转桨式水轮机，即斜流式水轮机。近年来，日本在斜流式 水轮机的生产方面做了大量工作，发展比较快。二十世纪，水轮机发展的主要特 点是提高了单机容量和比转速，增加了水轮适用的水头。提高比转速，可以减小 水轮的尺寸，降低造价，提高经济效益。发展到现在，按照转轮区内叶轮相对于 机轴的流动方向划分，水轮机中有轴流式、斜流式、混流式、贯流式以及冲击型 切击式等形式，其中，前四种称为反击式水轮机，它将水流的位能、压能和动能 转换成机械能，最后一种称为冲击式水轮机，它只将流体的动能转化为机械能。 浙江大学硕二l 学位论文 水轮机的水头范围从几米到几千米都有适用的类型。 水流进入转轮空间后，既跟随转轮一起旋转，同时和转轮之间又有相对运动， 所以，涡轮内部的流动是一个十分复杂的三维非定常的流动状态。水轮机的性能 与转轮尤其是叶片的设计密切相关，而叶片形状一般是空间扭曲的，其殴计和制 造都十分复杂。目前，转轮的设计主要有三种，一是升力法，一是保角变换法， 另一个是奇点分布法。 升力法是最早用于设计轴流式水轮机叶片的一种方法，从流体力学知道，当 有液流绕流叶栅时，液体和叶型之间产生相互作用的力，每一个叶型上的作用力 可以分解为沿着来流方向和垂直于来流方向的分量，前者是迎面阻力，后者是叶 栅升力。作用于时型上的力和来流之间的关系，是通过风洞或水洞中的叶型实验 获得的。不同的叶型组成的叶栅，其动力性能是不同的。用升力法设计轴流式转 轮叶片的理论基础是儒阔夫斯基升力定理。利用升力定理，在叶栅的几何尺寸和 其动力性能已知的情况下，不难得到作用在叶栅叶型上的升力和迎面阻力。相反 地，如果叶栅的动力性能和其流动状态己知，也可以求出叶型的几何尺寸及安放 角度。这两方面的问题就是叶栅绕流理论所要解决的正问题和反问题。由于在运 用升力法计算叶型时只考虑了单个翼型的作用，而没有考虑其它翼型的相互影 响，所以计算之后要进行修正。由此可见，升力法是一种半经验半理论的设计方 法。 保角变换法的基本思想是，通过一个解析变换z = ，( 宇) ，用位于辅助平面停) 上的简单的边界替换位于物理平面上的复杂边界。对于理想的不可压缩的平面有 势流动，如果能够满足来流条件、物面条件和环量条件的复势，那么流速场、压 力场以及绕流叶型时产生的合力与合力矩都可以计算。保角变换法适用于解决弯 度不大的薄翼或者由理论翼型组成的叶栅绕流问题。保角变换法的优点在于可以 得到准确的理论解，但是对于很多复杂的边界，寻找一个合适的变换函数是十分 困难的，因此，这种方法在轴流式转轮的设计中很少用到。 奇点分布法是解决叶栅绕流问题的另一种方法，它运用势流迭加原理，求解 叶轮机械中理想不可压缩流体平面势流问题。用奇点分布法设计轴流式转轮叶片 时，假象用一系列的源( 或汇) 、涡等代替叶型，使其产生的复合流场跟有叶型 存在时一样。用奇点分布法计算薄栅绕流问题时，假设翼型的厚度很小，用根 8 浙l 大学倾十学位论义 叶型骨线代替叶型，这样就可以用一系列沿着骨线连续分布的涡代替叶型。用奇 点法计算有限厚度的叶栅绕流时，在叶型边界上布置按一定规律分布的涡，使其 满足沿叶型边界是封闭流线的条件从而得到求解。奇点分布法摆脱了半经验半理 论的束缚，只要能够找到奇点的布置规律就可以解任意翼型的绕流问题。很显然， 奇点分布法的计算量是相当大的，但是随着电子计算机技术的发展，该法得到越 来越广泛的应用。 以上三种方法是目前比较典型和通用的设计方法，此外，还有很多学者在研 究过程中提出了一些针对性比较强的设计方法。早期的维尼格对叶栅反问题的设 计提出了比较精确的解法。鲍吉斯“伽( b o r g e s ) 在其博士论文中介绍了运用保角 变换法对叶型设计得到完整解，汉森( h a n s e n ) 和约纳。”( y o h n e r ) 对这个问 题编写计算程序得到了理论解。莱特希尔”幻( l i g h t h i l l ) 认为速度不是直接作 为叶型弧长函数的规定，而是规定为映射圆的圆心角函数，需要一定经验来计算 所求的叶栅速度分布。格尔( g e 0 1 ) 等人1 将桑格( s a n g e r ) 提出的逆向速度 图法及优化方法应用于涡轮的叶片设计，使设计有了很大的灵活性。吴仲华教授 。”提出了两类相对流面”的理论，即著名的s ，流面和s 流面，可以处理三 元流动。刘波教授“”提出了设计c d a 叶型的数值优化方法。 涡轮的应用十分广泛，首先是水力发电站中大型机组的使用，我国在八十年 代装机容量达到1 4 0 7 万千瓦，目前已经达到上亿千瓦，这也反映了我国的水轮 机技术水平已经得到较快的提高。此外，涡轮钻具n 8 3 、涡轮增压器n 9 3 、与泵配 合使用的液力传动装置“”3 等等都应用了小型涡轮，可见涡轮的适用范围十分广 泛。所以，研究涡轮的性能，进行开发设计具有十分重大的意义。 1 3 2 叶轮机械数值模拟发展及现状 叶轮机械内部的流动是典型的三维非定常流动，常常伴有多相流、传热等现 象，机理十分复杂。2 4 。即使对流动作大量的简化，得到的计算模型仍然是强三 维性和有旋的，得到的无粘的e u l e r 方程组和有粘的n s 方程组都是复杂的非线性 偏微分方程组，难以得到解析解。非定常流动现象的研究在叶轮机械研究领域具 9 浙江大学硕士学位论义 有十分重要的意义，只有接近并了解这种复杂现象的内部机理，才能够通过结构 优化设计以提高叶轮机械的性能。但是由于客观条件的制约，直到近二十几年， 随着计算机芯片制造技术和应用软件开发迅猛发展，出现了不断更新换代的高速 处理器以及各种应用于工程数值计算的应用软件之后，对非定常流动现象较为深 入的数值计算研究才取得很大进步。“2 。由于训算机技术的发展与普及应用，叶 轮机械非定常流动数值模拟研究的不断深入，使得以前必须通过试验才能完成的 一些工作逐渐转移到应用数值模拟来完成，这不仅降低了研究成本，缩短了研制 周期，而且使研究工作减少了对试验的依赖，提高了叶轮机械的设计水平。叶轮 机械内部流动数值模拟方法经历了从简单到复杂的发展历程，定常流动求解方法 的建立标志着该技术的初步成熟，例如，二十世纪七十年代末、八十年代初， d e n t o n 、n i 和r h i e 等人2 ”1 做了大量工作，研究开发的应用程序通过三维叶型积 叠方法来改进叶片通道、提高叶轮机的性能。八斗年代末，n i 并l l b o g o i a n ”“开发 了多级三维叶轮机流动数值模拟程序，该方法和上面所提到的一样都是求解 e u l e i r 方程的，由于它采用的是流动损失模型，可以初步预估损失。但是这些程 序都是针对无粘的e u l e f 方程，而对于能够有效求解有粘的n s 方程的方法，由于 客观原因，如计算机的速度和内存容量有限、湍流模型理论研究限制等，没有发 展起来。此时需要解决的问题有两个：一个是能够准确描写边界层输运和分离现 象的湍流模型；另一个是如何计算非定常效应。在非定常流动数值研究方面，n i 和t a k a h a t i h i 采用叶片约化方法“，各自进行了两排叶片流场非定常流动数值 模拟，并且分别采用了两种模型方案研究非定常流动现象，前者采用了s h a r m a 在1 9 8 5 年提出的统一进口总温分布模型，后者采用了b u t e l - 等在1 9 8 6 年提出的热 痕研究方法，他们的计算结果都表明与以往定常流动结果是有差异的。为了减少 计算域、缩减求解时间，6 i l e s ”“发展了时间倾斜方法，这种方法现在仍然应用 广泛。为了能够在定常流动求解过程中充分考虑叶排间相互作用的非定常效应， a d a m c z y k 。”提出了精确的模型方程，即通道平均方程，但是该方程非常复杂， 难于推广应用。后来g i l e s 等人”“做了大量工作对通道平均方程进行了简化和发 展。应用时均流动模型方法对非定常效应的近似能力不足，非定常流动时间精确 1 0 浙江大学硕士学位论文 解数值模拟给出了详细的各个时刻的非定常流场信息，为叶轮机的设计提供更有 价值的参考，女h j a m e s o n 等人。”饷双重时间步法在该领域得到广泛应用。 叶轮机械非定常流动数值模拟的发展趋势是完善计算全三维、粘性、多级联 算、准确快速的非定常流动数值模拟方法，开发优秀的前、后处理软件以及友好 的用户界面。具体表现在以下几个方面：高精度、快速的数值求解离散格式；准 确、实用的排间界面处理技术；多排叶栅流场计算域的裁减方案；适合于数值模 拟叶轮机械内流的湍流模型；计算域几何复杂性的考虑以及非结构化网格的应用 等。应用非定常流动数值模拟软件可以研究非定常效应对叶轮机械性能的影响， 例如，对尾迹附面层干扰、动叶顶部的泄漏流与泄漏涡、涡轮热斑的迁移预估以 及非轴对称流动等问题的研究。2 0 0 2 年，a r n o n e 等人“在发表的论文中提出 c l o c k i n g 现象对叶轮机械性能的影响，通过对三级轴流低压涡轮研究，指出了最 佳c l o c k i n g 方案。后来，u r e i n m o l l e r ，h u b e r ，d o r n e y “叭等人的研究也都得 出了性质相同的结论。 人们对数值模拟的研究和探索仍然在进行，目前应用最多的叶轮机械非定常 流动数值模拟方法就是应用计算流体力学( c f d ) 理论求解三维n a v i e r s t o k e s 方 程组，主要有求解时均n s 方程、大涡模拟( l e s ) 和直接数值模拟( d n s ) 等 方法“。”1 。大涡模拟和直接数值模拟还很少用于叶轮机械内部湍流场的计算，而 时均法应用较为广泛，它通过求解雷诺时均方程，结合湍流模型来计算叶轮内的 三维粘性流动，其数值模拟的方法主要包括压力修正法、时间相关法和拟可压缩 法等。其中，压力修正法的基本思想是：对于给定的压力场( 假定的或上层的计 算结果) ，按顺序求解速度的代数方程，为了使速度场满足质量守恒，必须对压 力场进行修正，方法是把由动量方程的离散形式所规定的压力与速度的关系代入 连续方程的离散形式，从而得到压力修正值，利用该值改进速度，进而得出在这 一迭代层次上满足连续性方程的解，然后再用新的速度值去校正动量离散方程的 系数，开始下一层次的计算，直至收敛。这也就是有名的s i m p l e 算法思想，后 来又出现了一些s i m p l e 算法的改进算法，比如s i m p l e r 、s i m p l e c 、 s i m p l e r s t 算法。时间相关法分为显式和隐式两类。显式的时间导数是由上一 个时间层次的已知数据直接离散求得的，优点是计算简单、边界条件容易实现且 浙江大学硕学位论文 易于矢量化，缺点是条件稳定性限制。隐式的未知变量必须联立求解一套方程， 它可以采用较大的时间步长，收敛较快，对稳定及非稳定问题都比较有效。在叶 轮机械内流场计算中应用比较广泛的显式格式有l a x w e n d r o f f ( l - w ) 格式”3 1 ， m a c c o m a c k 预估修正格式”以及r u n g e k u t t a 格式“，隐式格式有近似因式分 解法“7 1 ( a f 法) 和迎风格式3 。拟可压缩法的思想是通过某些数学变换将稳态 不可压动的椭圆形方程转变成双曲线型，从而使用时间相关法在连续方程中加入 压力对时间的导数项，这样处理使得流动控制方程的解收敛于稳定解。 对三维非定常随机不规则的有旋湍流流动的n s 方程平均后，得到相应的 平均方程，此时平均方程中增加了六个未知的雷诺应力项“u i ，从而形成了湍流 基本方程的不封闭问题，为此人们引入了湍流模型来封闭方程组，模拟结果的好 坏很大程度上取决于湍流模型的准确度。湍流模型的研究发展迅速，建立了零方 程、一方程、两方程和二阶矩等系列模型，已经能够十分成功地模拟边界层和 剪切层流动。这里所说的方程是指除了时均n s 方程外，还要增加其他方程才 能使方程封闭，增加多少个方程，则该模型就被称为多少个方程模型。 零方程模型建立在涡粘性假设基础上，把平均n s 方程中的雷诺应力假设 为平均物理量的某种函数，使方程组封闭。涡粘系数在整个边界层中并不是一个 常数，而且湍流边界层仅仅局限于依靠壁面的一个小部分区域内，普朗特在1 9 2 5 年提出了动量传递混合长度理论，将湍流应力和平均速度( d 矿a y ) 直接建立 关系，此后各国学者在这方面做了大量工作。应用比较广泛的零方程模型有 c e b e c i s m i t h 给出的代数模型圳、b a l d w i n l o m a x ( b l ) 模型5 0 1 等，前者用来 计算湍流边界层，但对于逆压力梯度或顺压力梯度很大的平衡湍流边界层及接近 分离区的流动，其精度不是很好，后者模型简单，计算工作量小，且对于湍流附 面层流动计算具有一定精度，但没有考虑压力梯度对附面层的影响。零方程模型 优点是模型简单，适用于中等压力梯度的二维流动，能够很好预报主流速度，缺 点是对湍流应力仅能做定性预报，不适用于绕流、旋转效应及有分离的流动，对 三维复杂流动或是湍流运输效应占主导地位的流动会产生较大误差，不能预测由 于大逆压梯度或湍流输运所造成的二次流动以及激波引起的分离流动。 浙江大学硕：卜学位论文 一方程模型将湍动能方程作为个附加的偏微分方程加上其他代数经验关 系式使方程组封闭，一般也称为能量方程模型。它考虑了对流和湍流扩散输运， 以湍动能表示特征速度，并由方程求出脉动特征速度，放弃了将脉动特征速度与 平均速度梯度直接联系起来的做法，因此能量方程模型比零方程模型更优越。但 是能量方程模型也假定了涡粘性系数各向同性，而且特征长度仍需要经验确定， 对运动过程影响的考虑也不充分，因而对于复杂流动的应用受到很大的限制。大 多数的一方程模型采用涡粘性假设，其精度和计算量介于零方程模型和二方程模 型之间。一方程模型的来源由两种，一种从经验和量纲分析出发，针对简单流动 逐步发展起来，如s p a l a r t a l l m a r a s ( s 舢模型”“；另一种由二方程模型简化而来， 如b a l d w i n b a r t h ( b b 1 模型”“。上述两种模型都有相似的特点，不像零方程模型 那样需要分内外层模型，也不需要沿法线方向的网格线寻找最大值，因此可用到 非结构网格中，但是计算量比零方程模型大得多。随着模型理论的发展和广大科 研工作者的努力，一方程模型也不断得到改进和完善。宁方飞等”“推导了 s p l a r t a l l m a r a s 模型的守恒形式，将其用于了二维扩压器和三维压气机转子湍流 流场的计算，取得了很好的效果，表明s p l a r t a l l m a r a s 模型用于内流计算是成功 的。 两方程模型是目前湍流模型研究中的热门，也是目前应用最广泛的一种湍流 模型，这与其内在的物理本质有必然联系。应用比较广泛的两方程模型有j o n e s 与l a u n d e r 提出的标准k 一( s - k - e p s ) 模型、经过修e 的各种低雷诺数k s 模 型以及由k 一模型发展而来的k 一模型和q 一模型。另外还有很多关于k 一 模型的非线性代数应力模型。标准k 一模型提出以来，以其形式简单、计算精 度精度较高而广泛应用于各种湍流研究中。k s 有以下优点：一是通过求解偏 微分方程考虑湍流物理量的输运过程，即通过求解偏微分方程来确定脉动特征速 度与平均速度梯度的关系，而不是直接将两者联系起来。二是特征长度不是由经 验确定，而是以耗散尺度作为特征长度，并由求解相应的偏微分得到，因而k s 模型在一定程度上考虑了流动场中各点的湍动能传递和流动的历史作用。计算结 果表明，它能较好地用于某些复杂流动，例如环流、渠道流、边壁射流和自由湍 射流，甚至某些复杂的三维流动。然而，标准k 一模型也有一定的局限性，主 要表现在：一是仍然采用了b o u s s i n e s q 假定，即采用了梯度型和湍流粘性系数各 浙江大学硕：e 学位论文 向同性的概念，因而使k s 模型难以准确模拟剪切层中平均场流动方向的改变 对湍流场的影响；二是采用了一系列的经验常数，这些系数都是在一定实验条件 下得出来的，因而也限制了模型的使用范围”。 随着计算流体力学理论和计算手段的不断发展，三维非定常流动数值方法将 进一步完善，并且其成果将得到更广泛的工程实际应用，从而辅助叶轮机械结构 的设计优化。 1 4 研究目标及研究内容 基于以上分析，本文采用目前最有效的综合曲线法和奇点分布法对动力涡轮 的结构进行设计，对矽：力涡轮的水力性能和影响因素展开系列研究，具体内容主 要分为三部分： 第一部分是