液力透平中,蜗壳的主要作用是对高压液体产生一定的环量并引入到叶轮,高压液体从蜗壳进口沿流道逐渐缩小的方向流动,加之在蜗形段内存在与叶轮中流动流体的相互影响,使得蜗壳中流体的静压能和动压能发生相互转化。因此,在液力透平中,蜗壳的作用不仅是引流部件,而且还是一个能量转换装置。为了能够明确阐述蜗壳内的液体能量转换规律,将蜗壳划分为如图4⁃15所示的几个部分进行分析。液力透平蜗壳各截面面积变化曲线如图4⁃16所示。
图4⁃15 液力透平蜗壳各个截面位置示意图
图4⁃16 液力透平蜗壳各截面面积变化曲线
1.蜗壳内动压功率和静压功率的变化规律
如图4⁃17所示为蜗壳在不同流量下各截面上的静压功率和动压功率分布图,各个截面上的静压功率和动压功率分别按式(4⁃4)、式(4⁃5)计算。
图4⁃17 蜗壳各过流截面动和静压功率分布
a)0.6Qt b)0.8Qt c)1.0Qt d)1.2Qt e)1.4Qt f)1.6Qt
从图4⁃17可以看出,不同流量下,从蜗壳第1截面到第14截面的动压功率、静压功率变化规律均大体相似。从蜗壳第1截面到第3截面,动、静压能几乎没有变化,从第3截面到第6截面,动压能逐渐增大而静压能逐渐减小,从第7截面到第14截面,总能量呈现下降的趋势,其中静压能基本呈线性下降的趋势,动压能的变化则略显复杂。前6个截面上动、静压能变化的主要原因是由于蜗壳沿流动方向过流面积发生变化,从图4⁃16看出,从蜗壳第1截面到第3截面,过流面积相等,因此这3个截面上的动压能和静压能基本相同,从第3截面到第6截面,蜗壳的过流面积逐渐减小,导致流体的速度因过流面积的减小而增大,因此动压能逐渐增加,而静压能等于总的能量减去动压能与能量损失之和,所以静压能逐渐减小。从第6截面到第14截面,动、静压能的变化一方面是由于过流面积变化及流动损失引起的,另一方面则因为自第6截面到第14截面区域,蜗壳与叶轮间是相通的,因此蜗壳内流体的流动受到叶轮的影响,使得各截面上的动、静压能发生变化。另外,从图中还可以看出,随着流量的增大,动压功率在总功率中所占的比例逐渐上升。
通过对蜗壳内能量转换过程的分析,发现液力透平蜗壳内的能量转换过程较为复杂,特别是从第6截面到第14截面的区域,为此需要对蜗壳内部能量转换过程做更为深入的研究。如图4⁃18所示为不同流量下通过蜗壳各截面的流量分布。
图4⁃18 不同流量下通过蜗壳各截面的流量分布
从图4⁃18可以看出,不同流量下,前6个截面上的流量呈水平直线分布,这不难理解,而从第6截面到第14截面,流量变化曲线整体呈现波浪式下降趋势,流量的整体减小趋势是因为蜗壳中的流体在逐渐流入叶轮中,所以流量的整体呈下降趋势,而流量的波浪式变化应该与流体自蜗壳到叶轮进口处的流动情况有关。为了探明叶轮进口处的流体流动状况对蜗壳中的流体流动的影响情况,下面从其内流场进行分析。如图4⁃19所示为1.0Qt时液力透平中间截面上的速度流线图,在每个叶片工作面的进口,均存在一个相对较大的轴向漩涡(如图中所示的漩涡1、漩涡2、漩涡3和漩涡4),漩涡1位于第7、8两截面所围区域的下方,在漩涡的作用下,使得叶轮中的部分流体(净流体)重新进入蜗壳,导致通过第8截面的流量增大。第10截面和第12截面上流量增大的原理与第8截面类似,而第13、14两截面所围区域的下方也存在着漩涡(漩涡4),但通过第14截面的流量却小于第13截面,这是因为从第13截面到第14截面,从蜗壳进入叶轮的流体多于因漩涡作用从叶轮进入蜗壳的流体。另外,从图中也可以看出,除0.6Qt工况外,其他工况下各截面上的流量变化规律与1.0Qt工况的相似,这说明这几个工况下流体的内部流动规律相似,而在0.6Qt工况下,蜗壳内部流动规律有别于其他工况。明确从0.6~1.6Qt流量下第8、10和12截面上流量增大的原因后,也就理解了图4⁃17中这3个截面上动压功率变大的原因。(www.xing528.com)
图4⁃19 液力透平中间截面上的流线图
(彩图见书后插页)
2.蜗壳内流体能量损失
流体流经蜗壳后能量并没有完全传递给叶轮,这是因为流体在蜗壳内的运动伴有水力摩擦损失、因速度大小及方向变化等引起的水力损失等,从而消耗一部分能量。如图4⁃20所示为不同流量下液力透平蜗壳内的功率损失。从图4⁃20可以看出,随着流量从0.6Qt到1.6Qt,蜗壳内的能量损失从181.55W增大到1632.59W,即当液力透平的流量增大2.67倍时,蜗壳内的功率损失增大了9倍左右。
图4⁃20 不同流量下蜗壳中的能量损失分布
图4⁃20给出了不同流量下液力透平蜗壳内能量损失的分布规律,为了能够更加详细的研究蜗壳内的能量损失情况,将蜗壳按图4⁃21所示的截面分为13个区域,1—2截面为第1区域,2—3截面为第2区域,依次类推,最终划分为13个区域,具体如图4⁃21所示,其中第6区域为截面6、7和14三个截面所围成的区域。区域划分完毕之后,每个区域功率损失等于该区域内所有进口截面上总的能量减去所有出口截面上总的能量。从蜗壳第1区域到第5区域,每个区域只有一个进口截面和一个出口截面,而从蜗壳6区域到第13区域,每个区域有两个出口,一个是与下游区域的结合面,另一个则是蜗壳的出口面,另外蜗壳的第6区域有两个进口面,其他区域均为一个进口面。进出口截面上总的能量按式(4⁃3)计算。图4⁃22为不同流量下蜗壳各区域上的功率损失分布。
图4⁃21 蜗壳区域划分示意图
从图4⁃22可以看出,不同流量下,各区域内的功率损失分布相似,除0.6Qt工况时第10、11和12区域外,其他各区域的损失均随流量的增大而增大,这是因为蜗壳过流断面面积和形状的固定不变决定了蜗壳内流体的速度随流量的增大而增大,导致蜗壳内的损失增大;在蜗壳的前4个区域及第13区域,能量损失相对较小,从第5区域到第12区域,各区域的能量损失相对较大,其原因不仅是因为流体依次通过这几个截面时速度大小和方向发生变化所致,而且因这几个区域与叶轮贯通,蜗壳内的流动受到叶轮内流动的影响,使其内部流动更加复杂,相应地增大蜗壳中的湍流耗散损失。
图4⁃22 不同流量下蜗壳各区域上的功率损失分布
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