JP50卷盘喷灌机用水涡轮数值模拟与优化

• 作 者: 朱相源
• 机 构: 江苏大学
• 出 处: 江苏大学
• 发表日期: 2014年期
• 关键词: 卷盘喷灌机 水涡轮 数值模拟 水力驱动装置 磁粉制动器

将水能转换成机械能的装置，统称为水力原动机，在我国应用比较广泛，从大型的水力发电站的大型水轮机到工厂余压利用的液力透平，再到农业灌溉用卷盘喷灌机的水涡轮驱动装置，功率范围由最大的70多万千瓦（三峡电站的水轮机组最大出力）到最小不到一个千瓦。本文所述的水涡轮为卷盘喷灌机用的水力驱动装置，作为卷盘喷灌机的核心装置，其功用在于提供回收软管的动力，以实现喷灌机的自动喷洒。因为需要满足不同的灌溉需求，喷灌机用水涡轮需要有较宽的调速范围，以满足不同的降水量。但现有的国产喷灌机的水涡轮普遍存在效率低、输出功率不足的问题。目前，国内外对水力涡轮的研究侧重于流量较大，比转速稍高的一类水涡轮的研究，而对于卷盘喷灌机用水涡轮（以下简称水涡轮）研究较少。为此，本文开展了以下研究工作:　　(1)首次搭建了一种基于磁粉制动器吸收功率的水涡轮试验台，可对目前国产卷盘喷灌机用水涡轮进行了水力性能试验，获得了不同转速下的性能曲线。试验发现国产水涡轮效率不足20％，急需进行优化设计研究。　　(2)采用先进计算流体动力学软件，对现有JP50卷盘喷灌机用水涡轮内部流场进行了数值模拟，分析了压力分布和速度分布情况，掌握了造成现有卷盘喷灌机用水涡轮效率低的主要原因是结构形式和叶片水力参数不合理。　　(3)针对现有水涡轮效率低的主要原因，对其进行了优化改进，优化方案包括叶片的进出口安放角、叶片宽度、转轮后盖板等多种参数的理论计算和取值，最终确定了优化的水涡轮水力参数，并利用ANSYS对优化的水涡轮进行了多方案数值模拟，对其内部流态进行了分析，找出了最优模型。最优模型在设计转速下，最高效率为53％，比现有水涡轮效率提高30％以上。