代替冷却塔中风扇电动机的新型节能水轮机开发研究

【摘要】： 随着能源消耗的持续增长和不可再生资源的日益枯竭，能源的供需矛盾日趋突出；同时社会生产和人民生活中能源的浪费相当严重，对节能方式与方法的研究与开发工作刻不容缓。冷却塔中风扇电动机的电能消耗十分巨大，而且大多数冷却塔内循环冷却水一般都具有一定的富余能量，通常被白白地浪费。通过研究开发一种新型节能水轮机，利用循环冷却水出口的富余能量推动水轮机转轮，由此带动风扇旋转制冷，可以达到节能的目的。 本文在参考传统双击式水轮机和混流式水轮机设计方法和手段的基础之上，通过参数的选择计算，开发出了适用于冷却塔工作环境的新型双击式和新型混流式节能水轮机(简称SJN型和HLN型节能水轮机)。然后利用数值模拟方法对初步设计的水轮机进行了性能预估与参数优化，并对SJN型节能水轮机最优方案的数值模拟结果与实验结果进行了对比分析，得到以下成果： 1．以传统双击式水轮机过流部件的设计方法为基础，在SJN型节能水轮机设计中，提出了新的喷嘴入口流速系数K_1、喷嘴高度系数K_B和转轮线速比系数K_2。水轮机性能优化比较结果证明，使用新系数设计出的SJN型节能水轮机效果更佳。 2．选用RNGκ-ε湍流模型对SJN型节能水轮机进行了三维数值计算。通过数值模拟方法分析水轮机内水流运动规律，预估水轮机的性能，并将数值计算结果与实验值进行了对比分析。结果表明通过数值模拟与物理实验两种方法获得的SJN型节能水轮机的性能变化规律一致，水轮机的最高效率计算值比实验值约低2％，设计工况点效率计算值比实验值约低1.5％。 3．借鉴传统混流式水轮机的设计方法和理论，成功地开发出了高性能的HLN型节能水轮机。根据数值模拟结果，该HLN型节能水轮机各过流部件内的流态分布比SJN型节能水轮机更加均匀，效率值整体上比SJN型节能水轮机高约12％，性能远优于SJN型节能水轮机。 【关键词】：节能水轮机 设计计算 数值模拟 性能预估 开发研究
【学位授予单位】：河海大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TV734
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 绪论9-16
• 1.1 本文研究的背景及意义9-13
• 1.1.1 本文研究的背景及意义9-12
• 1.1.2 本文研究的意义12-13
• 1.2 本文国内外研究现状13-15
• 1.3 本文的主要研究工作15-16
• 第二章 水轮机数值模拟方法16-33
• 2.1 水轮机内的三维湍流16-20
• 2.1.1 湍流运动基本方程17-18
• 2.1.2 湍流模型18-20
• 2.2 网格及其划分20-23
• 2.2.1 网格生成技术概述20-21
• 2.2.2 三维非结构化网格的生成21-22
• 2.2.3 网格优化22-23
• 2.3 边界条件的应用23-27
• 2.3.1 边界条件概述23-24
• 2.3.2 流动进口和出口边界条件24
• 2.3.3 壁面条件24-27
• 2.4 动静区域问题的处理27-28
• 2.5 控制方程组离散求解28-31
• 2.5.1 常用离散方法28-29
• 2.5.2 离散格式29-31
• 2.5.3 离散方程的压力—速度耦合31
• 2.6 本章小结31-33
• 第三章 SJN型节能水轮机性能优化研究33-49
• 3.1 概述33-35
• 3.2 SJN型节能水轮机的参数计算35-36
• 3.2.1 喷嘴尺寸计算35-36
• 3.2.2 转轮直径的计算36
• 3.2.3 转轮叶片数的确定36
• 3.3 SJN型节能水轮机过流部件尺寸的优化36-40
• 3.3.1 过流部件尺寸方案选择36-37
• 3.3.2 各方案的优化比较37-40
• 3.4 最优方案水轮机性能分析40-48
• 3.4.1 最优方案流场分析41-45
• 3.4.2 最优方案能量特性分析45-46
• 3.4.3 最优方案数值模拟与实验结果比较分析46-48
• 3.5 本章小结48-49
• 第四章 HLN型节能水轮机开发研究49-71
• 4.1 概述49-50
• 4.2 HLN型节能水轮机各过流部件的设计50-57
• 4.2.1 转轮几何参数的确定50-53
• 4.2.2 蜗壳设计53-54
• 4.2.3 固定导叶的设计54-55
• 4.2.4 活动导叶的设计55-56
• 4.2.5 尾水管的选择设计56-57
• 4.3 HLN型节能水轮机性能预估57-70
• 4.3.1 水轮机三维网格划分57
• 4.3.2 水轮机CFD计算及其结果分析57-70
• 4.4 本章小结70-71
• 第五章 总结与展望71-73
• 5.1 全文总结71-72
• 5.2 后续展望72-73
• 参考文献73-76
• 附录 符号说明76-78
• 致谢78

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