离心泵作透平的研究现状

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王桃，孔繁余，何玉洋，等.离心泵作透平的研究现状[J].排灌机械工程学报，2013，31(8)：674-680Researching status of centrifugal pump as turbineWang Tao ，Kong Fanyu ，He Yuyang ，Yang Sunsheng。

(1.School of Energy and Environment，Xihua University，Chengdu，Sichuan 610039，China；2.Research Cenler of Huid MachineryEngineering and reehnology，Jiangsu University，Zhenjiang，Jiangsu 212013，China)Abstract：PAT(pumps as turbines)is one of the best alternatives for energy recovery.PAT is veryimportant for waste energy resources recovery in industry and the micro-hydropower development in re-mote areas.In order to further investigation on PAT，the main texts on PAT were briefly reviewed.Theavailable reference materials of research on pumps worked as turbines were mainly conducted based onexperimental，theoretical and numerical ways.The relevant research fields of PAT were summarized，such as the optimization design of flow passage components in PAT and performance improvement，theoperational stability of PAr，PAT S type-selection and performance prediction，especialy the predic-tion for BEP(best eficiency point).Performance parameters of the pumps and PAT were obtainedthrough experiments.The relationship of performance parameters between pumps and PAT was predic-ted by theoretical analysis and the empirical formulas based on the experimental data.The PAT per-formanee can be determined by comparing the results from CFD prediction and the tests.Finaly，theprospect and future tendency of research on PAT was proposed，in which the accurate method of PATtype selection，the new design theory，vibration and of-design operational stability as well as the high-power and multistage PAT study were included。

Key words：eentrifugal pumps as turbines；researching status；type-selection；optimization design收稿日期：2012-11-13；网络出版时间：2013-07-20网络出版地址：htp：///kcms/detail/32.1814.TH.20130720.0935.015.html基金项目：叫川省重点学科建设项 目(SZD0412)；流体及动力机械省部共建教育部重点实验室培育项 闩(SBZDPY- -7)；西 大学能源 j环境学院科研预研项目作者简介：Ii桃(1978 )，女，四川成都人，讲师，博士研究生(maihowangtao###163.corn)，主要从市化1 过程机械研究孔繁余(1956 )，男，汀苏扬州人，教授，博士生导师(kongm###Lljs.edu.cn)，主要从事流体机械及1-程研究。

l 675瞳 在钢铁、石油、化工等高耗能行业生产中，有大量高压液体直接通过孑L板、减压阀等装置排出，能量被浪费掉.能量回收液力透平可以利用液体压力能驱动发电机发电或带动其他旋转机械做功，实现对液体余压能量的回收利用.能量回收液力透平型式主要有微型水轮机和反转泵型等 .离心泵反转作透平(以下简称泵作透平)具备价格相对便宜、体积孝设计成熟、结构简单、成本低 、安装维修方便等优点，在液体余能回收中广泛采用离心泵作透平的型式.对于地处偏远，而又具备-定水力条件的地区，采取离心泵做透平的方式发电，既节省投资又可减少运行维护成本 。

目前，国内外的学者主要采用试验研究、理论分析和数值模拟的方法，围绕泵作透平的选型、性能提高与运行稳定性 3个方面开展研究。

离心泵作透平的工作原理离心泵作透平的工作原理如图 1所示，高压液体以-定的速度冲击叶轮旋转，流体压能转化为机械能，驱动发电机发电或驱动其他耗能机械做功。

图 1 离心泵作透平剖面图Fig.1 Sectional view of centrifugal pump as turbine2 泵作透平的选型及性能预测当泵作透平运行时，透平工况高效点的流量、扬程和轴功率将大于泵工况高效点的流量、扬程和轴功率 .泵出厂时，制造商通常不提供泵在透平工况下的性能.在给定能量参数(流量、水头)时，如何选择合适的泵用作透平运行是遇到的首要问题。

国内外学者研究泵作透平的选型问题时，主要采用以下3种方法：-是通过试验，得出泵正反转性能参数；二是基于试验数据，通过理论分析，给出-定的经验公式，得到泵正反转性能参数的关系；三是应用CFD技术对泵作透平的性能进行预测，并且与试验结果进行对比，验证 CFD预测的准确性。

2.1 泵作透平的试验研究施成道 对泵作透平进行了试验研究，做出了流量、扬程换算系数与比转数关系图.Singh等 通过试验得到了 13台泵作透平的外特性曲线，并对特性曲线进行了优化，便于指导透平的选型。

泵作透平试验台的关键在于能够准确测量透平的输入与输出能量，其型式多样 ， ，最常见的型式如图2所示.高压流体由增压泵提供，透平利用增压泵提供的压力能驱动耗能机械做功.通过流量计、压力表、扭矩仪分别测量透平的流量、进出口压力、转速和扭矩等，计算出透平的效率。

图2 泵作透平试验台简图Fig.2 Pump as turbine test rig2.2 泵作透平选型的理论分析盛树仁等 。对泵2种工况之问的流量、扬程换算系数进行了理论推导，并提出了简单的理论公式预测透平的最高效率点外特性.刘甲凡 通过假设2种工况下的流速系数相等且转速相同，得到了泵2种工况下性能参数之间的关系： Qt√ 。

Stepanofl1。通过假设泵在 2种工况下进出口流速三角形相似，从理论分析提出了相同转速下 2种工况水头、流量和比转数的换算关系： ： ： . (1)2 叼t叩P 叼Q ： ， (2)叩N N 。77， (3)式(1)-(3)中：H 为透平工况水头，m； 为泵工况扬程，m；Q 为透平工况的流量，m /s；Q 为泵工况的流量，m /s；叼 为透平效率；叩。，叩均为泵效率；Ⅳ 为透平工况比转数；Ⅳ 。为泵工况比转数。

1994年 Wiliaml10]依据不同形状和尺寸的 35台泵正反工况 的试验数据，对 StepanofJ、Shar-m all、AlatolTe-Frenk等 、Schmidell1 3、Grover 、Buse 、Hancock 、Childs ” 8种预测方法的准确性进行了对比，结果显示由于泵与透平 2种T况的外特性受泉的几何参数、制造精度等因素的影响，没有-种预测方法能够对所有试验泵进行准确预测。

Ⅳ同时指出 Sharma提出的扬程换算系数 h 仃1 O 1与流量换算系数 q 预测误差在 接受，7l1 VI rh，的范 之内，在泵作透平选 时推荐使用(推荐的比转数范 为 146～220).Sharma1 通过理论分析提出，随比转数不同，泵在这 2种工况下的流量和扬程换算系数任 1.1～2.1变化。

Derakhshan等 运用 Buon等 提出的 面积比”方法，琏于理沦分析获得了 1台比转数为 86的化： 离心泵作透平时的最优效率计算式.与试验结果对比，发现理论计算出的透平最优效率低于试验结果，这-差异 现的主要原因是由于作者在理沦分析时没有准确预估蜗壳和叶轮内的损失。

Yang等 在总结大量试验数据的基础上，通过理沦分析提 丫用于预测泵作透平最优效率点的经验公式：扬程换算系数为流 换算系数为(4)(5)泵与透平比转数的换算公式为N 1.125N 1.73。

(6)将理论预测结果与试验数据进行对比，并且同之前 Sharma L了Stepanof2位学者提出的预测方法进行比较，如图3，4所示.结果显示，Yang等提出的经验公式对透平最优效率点参数的预测与大部分Ji验数据更贴近，且较之前 2位学者的预测方法更准确。

3 小同方法对泵作透平高效点水头换算系数预测比较Fig.3 Head ratios of tested PATs with various pumpmaxinlunl eficienciesDerakhshan等 通过对比转数分别为 53.3，84，137，203的4台离心泵作透平试验数据分析，推导出预测透平最高效率的关系式，获得了最优 r况点参数。

图4 不同方法对泵作透平离效点流量换算系数预测比较ng.4 Discharge ratios of tested PATs with various pumpmaximum efl'ieieneies基于最优T况点参数(Q ，H ) 透平试验数据，拟合出了用于计算非最优L况点参数(Q.， .)的2个多项式：- 1.028 3( )2 546 8( )0.531 4，(7) -。.3。9 2( )32. 47 2( )O.886 5 0.045 2， (8)非最优T况点效率为P即t 耘， 9式巾：P 为非最优工况下透平出 ，kW；P..为最优上况下透平出力，kW。

通过公式(7)-(9)计算可得非最优 况点各参数，从而绘制出透平的外特性曲线.由于该方法试验透平的台数仅 4台，涵盖的比转数范围有限，所得试验数据有限，用该法获得的透平全特性曲线还有待进-步的试验验证。

2.3 泵作透平性能的数值预测近年来随着 CFD技术的广泛应用，泵作透平得剑了进-步的深入研究.杨军虎等 用 CFD技术对3个不同比转数的泵作透平进行r研究，从量纲分析的角度出发，采用多项式拟合的方法提出了- 种离心泵作透平的选型方法.袁亚 对4台离心泵进行了数值模拟，得到了泵与透平工作参数之问的关系，对比转数在 30～80的泵提f了用于预测透平工况工作参数的数学模型。

为验证数值模拟结果的准确性，许多学者采用了数值模拟和试验研究相结合的研究方法.Derakh-shan等 采用CFD技术模拟了泵在2种工况下的运行，获得了2种工况下运行特性曲线.图5为泵2 l- 2， - - nI 677瞳 况试验和数值模拟结果比较，图中西为流量系数，卵为效率， 为水头系数，7r为功率系数.由图可见，在泵工况，两者不仅在高效区，而且在部分工况区和过载区均吻合较好。

击(a水头系数与效率曲线西(b)功率系数与效率曲线图5 泵工况试验和数值模拟结果比较Fig.5 Measured and numerical curves of pump mode图6为泵作透平工况试验和模拟结果对比，在透平工况，模拟结果与试验结果差异较大.相同的泵，流量不变，仅仅是水流流向和旋转方向不同，CFD模拟出的透平的水头换算系数和功率换算系数较试验结果低，作者指出在数值计算过程中忽略前后泵腔内部的流体，可能是误差形成的主要原因。

0 0 O2 0 04 0 O6 0 08 0 10 0.12 0 14西(a水头系效与效率曲线(b1功率系数与效率曲线图6 泵作透平工况试验和模拟结果对比Fig.6 Measured and numerical curves of turbine mode为得到透平的外特性曲线，Yang等 建立了包括泵进口、叶轮、泵腔和蜗壳在内的全流道几何模型，采用 CFD技术对泵的性能进行数值模拟.对比结果显示，数值模拟 比试验数据稍稍偏大.杨孙圣等 提出数值计算可以较为准确地预测透平的流量效率和扬程，在设计工况附近，预测值的相对误差最小，而在小流量工况和大流量工况，预测值的相对误差较大.数值计算结果大于试验结果的原因是，在数值模拟中忽略了由于轴承和机械密封摩擦引起的损失，同时没有考虑平衡TLgl起的容积损失。

从以上研究成果可见，虽然部分学者通过理论分析、数值模拟与试验研究相结合的方法对泵作透平性能进行了预测，但是到 目前为止，还没有适用于所有透平选型与性能预测的理论和方法能被人们广泛接受。

3 透平过流部件的优化与性能提高透平的过流部件主要由蜗壳、叶轮和尾水管组成.叶轮是透平进行能量转换的核心部件，其水力损失占总水力损失的 50%以上 ，因此叶轮的优化设计对于提高整个透平的性能至关重要。

- 般认为泵在 2种工况下的效率相差不超过3% J.为了提高透平工况的效率，盛树仁 提出对透平叶片进口倒圆，如图7所示，可以提高透平工况的效率.Singh等 在不改变泵作透平现有主要参数的情况下，通过试验的方法研究了透平进口倒圆角对性能的影响，研究发现在不同的运行工况，修圆可使透平效率提高 1% ～3%。

图 7 透平叶轮进 口倒 圆角Fig.7 PAT impeler rounding图8为泵吸入管和叶轮进口扩大图.Singh2 同样通过试验的方法发现扩大叶轮出口和尾水管进口，也能够提高泵作透平的效率，如图8所示。

Derakhshan等 也将叶片进 口边及叶片与前后盖板交接面进行了修圆，并且采用神经网络、基于梯度的叶片型线优化算法，重新设计了叶片形状，对新设计的叶轮进行了试验，结果表明，优化后透平效率有所提高。

8 吸人管和叶轮进口扩大Fig.8 hnpeller entrance and suction tube enlargingYang等 对叶片包角对透平的影响进行了研究.以比转数分别为54，125和 168的3台离心泵为研究对象，在其他几何参数基本不变的情况下，选用不 包角进行设计.通过数值模拟结果得到了定性的结论：随着叶片包角的减小，叶轮内水力损失越小，理论扬程越低，H-Q与 P-Q曲线呈下降的趋势；对于不同比转数叶轮，存在着 1个最佳叶片包角使得透平的效率最高；比转数越高，所选叶片包角越小。

杨军虎等 研究了叶片形状对透平的性能影响.在透平叶轮转速和其他基本几何参数不变的情况下，改变叶片进[1角及叶片包角设计了3种不同1fl型，并进行了数值模型，比较选择出了最优的叶片形状。

典平鸽等 采用数值和试验相结合的方法，研究 r叶轮不同进口宽度对泵作透平性能的影响，发现透平的 H-Q曲线随I1轮进VI宽度的增大变得更加平坦；随着透平.tl t-轮进 口宽度的增大最高效率点向大流量偏移，大流量时的效率逐渐增大；对于-定儿何参数组合的透平，存在最佳叶轮进 口宽度使透平最优工况点效率最高。

蜗壳是泵作透平的引水部件，低比转数泵蜗壳内的水力损失占总水力损失的 10%以上 ，因此，蜗壳对透平性能的影响不可忽视.Yang等 利用CFD技术对蜗壳进行 了研究，分析了蜗壳喉部面积、蜗壳断面形状、断面面积变化规律、叶轮与蜗壳基圆直径的径向间隙等对透平性能的影响，总结出J，提高透平效率的蜗壳设计规律。

4 运行稳定性的研究泵作透平在实际运行中常产生振动和噪声，影响机组运行的稳定性，严重时会影响机组的正唱机.引起机组振动的原因较多，其中透平内部流场的非定常压力脉动是诱因之-.为了研究透平内部压力脉动，杨孙圣等 采用流场分析软件 CFX对透平内部流厨行了三维非定常数值模拟，通过设置监测点，得到了不同位置处的压力脉动结果.研究发现割舌前端和蜗壳中部位置处压力脉动较大，泵作透平蜗壳内部压力脉动的主频和次主频分别为叶频和叶频的2倍.叶轮内部压力脉动强度比蜗壳内部压力脉动强度要强，叶轮内部压力脉动的主频为叶轮转动频率.尾水管内部的压力脉动主要由蜗壳内部的压力脉动传播到尾水管内部形成，尾水管内压力脉动主频等于叶频。

Yang等 ”提出增加长短叶片町以改善透平叶轮内部流场，使叶轮内部旋涡的强度减小，蜗壳 与叶轮内的压力脉动范围及脉动值均减/、，从而改善透平运行不稳定现象。

Raul等 对单级蜗壳式泉作透平内部非定常流动引起的不平衡径向力、透平内部的压力惩速度场分布等进行了研究。

袁亚飞 按照常规混流式水轮机导叶的设计方法，为透平设计了导叶.与没有加导叶相比，加上导叶后最优效率向大流量偏移，最高效率点值有所降低，但在小流量区域，随着流量下降，效率下降的幅度减小，提高了透平运行的稳定性。

5 研究趋势1)在泵作透平的选型及性能预测方面，特别是透平最优效率预测方面，国内外学者都取得 r-定的成果，但是这些成果适用范围有限.如何准确地选择出适合的泵作透平，是今后研究的-个再要方向。

2)泵作透平运行，其水力性能与传统的水轮机不同.现有的研究成果主要集中在对过流部件的优化设计.在透平轮几何尺寸的确定，不同比转数透平叶型的设 计方面研究成果较少，为提高透平性能，研究总结出新的设计理沦与方法是目前的研究趋势。

3)从透平的外特性曲线可以看出，泵作透平宜在大流量下工作.流量过小，能量回收效率大大降低，当透平工况的流量减小到-定程度时，透平的水头和出力很小，甚至会出现无回收的情况.在实际运行中，如何扩大透平的运行工况范围，保证透平在非设 计工况稳定运行，也是-个重要的研究方面。

4)透平在实际运行中出现的振动问题是影响I 679蚌机组安全稳定运行的重要因素，因此振动问题将是今后值得深入研究的重要内容。

5)多级离心泵作透平在高压液能回收方面具有重要的现实意义，但 目前研究这方面的学者较少.开展大功率多级离心泵作透平的研究对解决工程实际问题意义重大。