离心泵作透平启动过程的瞬态特性分析

柴宝堆，杨军虎，王晓晖，姜丙孝

(1．兰州理工大学 能源与动力工程学院,兰州 730050；2．兰州交通大学 化学与生物工程学院,兰州 730070)

离心泵作透平(pump as turbine，PAT)具有结构简单、价格低廉、安装维修方便等优点，广泛应用于石油化工行业各类装置的余压能量回收。PAT使用时面临着运行不稳定、高效区域狭窄、结构强度不足等问题，当上下游压头和负载变化时，会出现频繁的变速运行，特别是启动过程中，转速、流量、压力、叶片载荷等各性能参数在短时间内会发生剧烈的变化，内部流体处于非稳定的瞬态流动状态，极易引起巨大的压力脉动和冲击，导致PAT本身及负载设备受损[1-2]。国内外学者[3-6]通过理论分析、数值模拟及试验测试等方法提出了泵和PAT最高效率点流量和压头的换算关系式，为PAT的性能预测及设计选型提供了参考，但性能预测的精度还有待进一步提高。代翠等[7-8]对稳定工况下PAT径向力的影响因素进行了分析，指出增加叶片包角或添加导叶可以减小PAT的径向力，使径向力分布更加均匀。苗森春等[9-10]采用神经网络和遗传算法等方法对叶片型线进行优化，提高了指定工况下PAT的效率。目前的研究主要集中在PAT最优工况的性能换算及预测、稳定工况下的力学特性及性能优化等方面，对于启动过程等非稳定工况下的瞬态特性也需要深入研究。因此，本文在验证计算流体动力学(computational fluid dynamics，CFD)模拟计算可靠性的基础上，对PAT启动过程中内流场的演化机理及启动转速的影响因素进行研究，分析叶片的水力载荷及叶轮的径向力和轴向力随启动时间的变化规律，为提高PAT启动过程的稳定性和可靠性提供参考。……