液体余压能量回收透平的研究现状综述

lijicheng009

液体余压能量回收透平的研究现状综述

（李吉成   流体机械及工程   122080704009）

摘要：液体能量回收透平是一种能量回收装置。本文主要综述近年来液体能量回收透平的研究工作。内容包括：液体能量回收透平的发展现状、主要研究理论与方法、回收装置配置、性能调节及其在具体领域里的应用趋势与前景。

关键词：液力透平；能量回收；配置；性能调节；综述

1.引言

液体余压能量回收透平是一种把流体压力能转化成机械能或电能的装置，工作过程是高压液体作用于透平轮，使透平叶轮旋转二产生轴的输出功率，并通过与其他耗能机械连接来驱动其做功，从而实现了能量形式之间的装换，并且达到能量回收利用的目的。在日常生活以及工业生产中，凡是存在液体压差的地方就有可回收能量的存在，而且这种能量是一种可再生能源，尤其是在工业生产中，用液力透平来替代减压阀等装置则会大大降低能量的浪费。

对于液体能量回收透平，人们最关心的问题便是其效率以及安全稳定性等方面的问题，因此如何提高透平的效率以及装置的配置、工况调节等方面已成为人们研究的焦点。运用新的设计理论与方法可提高透平综合性能，这是液力透乎研究的趋势。

2.国内外研究现状

液力透平(hydraulic turbine)为旋转式能量回收机，其结构与离心泵相似但作用与泵相反。液力透平能量回收过程是通过透平将高压流体的压力能转化为轴功，再对轴功进行利用，达到回收能量的目的。

液力透平按照设计方法的不同可以分成三种类型。（1）液力涡轮：其特点是效率高，工作稳定性好。在国外公司中设计应用的较多。有冲击式、轴流转桨式、混流式等。（2）反转泵(REVERSEPUMP)：应用最为广泛。其使用方便、经济，泵的运行工况符合工业流程要求，泵反转运行的性能很好。一般情况下比转速在35-500 之间的泵都可以反转作为透平使用。根据回收功率大小可以分为单级和多级，根据叶轮机构可分为径流式、混流式和轴流式常采用径流式与混流式泵作透平使用。（3）新型液力透平：相比较而言其整体结构得到优化，性能得到较好的提升。

目前国内外余压液体能量回收装置的回收利用形式有以下三种形式：a. 液体能量回收液力透平辅助电机做功：该结构能在可回收的能量小的情况下、利用电机和液力透平联合做功驱动一台较大的泵或风机；但机组有超越离合器，制造控制难度较大，容易损坏，在压力、流量较小的工况下，水力透平不但不能出力，反而形成阻力矩。国内化肥行业自20世纪90年代开始从国外进口的基本是这种形式，能够成功开车运行的不到30%，能够长期正常运转的就更少。b. 液体能量回收液力透平直接驱动发电机：用液体能量回收透平驱动一台发电机，这种形式要求透平运行时转速基本恒定，对透平的设计和控制要求很高，对化工装置稳定生产也要求很高。这是近年来出现的一种新型装置。c. 液体能量回收液力透平直接驱动一台泵或风机：节能效果最好，但对被驱动的泵或风机和水力透平的匹配性、效率以及长周期稳定运行的要求较高，对液体能量回收液力透平出力时转速稳定性要求很高，要求出力很稳定。

3.研究理论与方法

液力透平的研究方法包括：理论研究方法、实验方法和数值计算方法。

理论方法是研究和设计液力透平的基础，也是流体力学所研究的重点内容。它能够得到一般性的普遍原理，具有很好的指导作用。如利用NS方程来描述流体的流动问题。在透平叶片的设计方法上，常用的是一元理论和二元理论。一元理论主要针对的是低比转速的叶轮设计，认为流体运动的方向只是沿着某一个方向二忽略其他方向上流动速度的影响。二元理论是针对中高比转速叶轮的设计，认为流速是沿着两个方向上进行。但是一元理论和二元理论的应用选择上面并没有一个明显的界限，通常是根据实际经验来做出选择。此外，还有准三元流动理论（吴中华提出），它是将一个实际的三维流动转化为S1和S2流面上的问题来处理，这种方法在近几年来随着数值方法的发展而逐渐得到广泛的应用。

实验方法是处理问题的最直接最有效的方法，它能够检验出理论的正确合理与否，因而是在科研过程中必不可少过程之一。液力透平研究中主要有效率、汽蚀、多相流、PIV技术等。

数值计算是一种离散近似的计算方法。主要有有限元法、有限体积法、有限差分法。因其具有可操作性强、费用少、周期短等优点，并且随着计算机水平的不断提升，给方法得到了广泛的应用。

4.液力透平性能研究

液力透平性能的研究通常采取理论、试验以及数值计算相结合的方法。研究的内容主要有：采用新的理论与方法设计新型透平叶轮；建立运行试验装置．全面测试透平的运行特性、汽蚀特性及工作稳定性等；借助CFD等工具．模拟观测内部流场，从而进一步改善流动状况。在目前的研究中，对于泵反转做液力透平的研究居多。一般是研究反转泵的径向推力、飞逸转速等特性；分析进出口流态并比较性能；建立叶轮结构参数的目标函数，用梯度算法优化设计叶轮水力模型。

5.结语

液体余压能量回收透平已越来越多地应用于工业生产过程中的各个方面，但其研究尚处在发展阶段，因此利用新的理论设计方法才并提高性能将会是今后液力透平发展的趋势。随着国家对于能源问题的关注度的提高，节能减排问题是一个焦点，而液力透平正好能够利用余能，减少浪费，有很好的应用前景。

参考文献

[1] 徐晅阔, 王世昌.反渗透淡化系统余压水力能量回收装置的研究进展 [J]. 水处理技术.2002, 28(2):63 - 66

[2] 杨孙圣，孔繁余等.长短叶片对液力透平性能的影响 [J]. 农业机械学报.2012.07-19

[3] 关醒凡，现代泵理论与设计 [M].中国宇航出版社.2011.04

[4] Jipikse D，Marcher W D，FumtR B．Centrifugal pump design and performance [J] ．Concepts ETI，Wllite River Junction，Vt，USA．1997