始動時のタービンシステムとしてのポンプの加速効果

Scientific Reports volume 13、記事番号: 4913 (2023) この記事を引用

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タービン系としてのポンプの起動過程に及ぼす起動加速度の影響を明らかにするために，タービン循環配管系としてのポンプの三次元粘性非定常流の数値計算を３つの起動加速条件下で行い，始動プロセス中の各オーバーフローコンポーネントの外部および内部流量特性を解析し、エントロピー生成法とQ基準法の助けを借りて、配管システム内の各コンポーネントのエネルギー損失を詳細に分析します。 結果は、システムの起動中、タービンとしてのポンプの流量と出口静圧曲線は回転速度に対してヒステリシスを持ち、低速および中速起動中の揚程曲線は直線的な上昇に似ていることを示しています。急速な始動中に放物線状の上昇を示し、タービンが主にブレード間に分散されるため、ポンプのインペラ領域のエントロピー生成と渦度が増加し、始動中に分布が減少します。 また、ポンプのタービンとしての過渡始動時の性能予測にはポンプ相似則は適用されません。

近年、エネルギー需要の増大に伴い、世界各国で二次エネルギーの開発・利用への注目が高まっています。 タービン用反転遠心ポンプ（タービンポンプと呼ばれます）は、構造が簡単で、価格が安く、設置やメンテナンスが容易であるなどの理由から、石油化学業界でさまざまな装置の廃液残圧エネルギー回収に広く使用されています。タービンのようなポンプは、不安定な動作や狭い効率ゾーンなどの問題を抱えていることがよくあります。 始動過程では、無段変速運転のため、流量、圧力、動力などの性能パラメータが短期間に大きく変化し、内部流れは非常に不安定な過渡流れ状態となり、容易に流量が変化します。大きな圧力脈動や衝撃を引き起こし、タービン装置そのものやそれに接続される負荷装置であるポンプの損傷につながります1。 したがって、起動過程におけるタービンとしてのポンプの過渡特性を系統的かつ詳細に検討する必要があります。

出版された文献によると、ほとんどの研究は定常状態条件に対して行われており、最適条件もその 1 つです。 Rossi ら 2 は、人工ニューラル ネットワーク手法を使用して、タービンとしてのポンプの最適条件点の性能を予測することに成功しました。 Liu ら 3 は、タービン条件下で最適条件点 (BEP) を予測するための反復流量ベースの方法を提案し、その結果、ポンプとタービン条件の性能を予測するために開発された理論モデルが信頼性が高く正確であることが示されました。 Štefan et al.4 は、タービン条件における最適動作点 (BEP) の流量と揚程がポンプ条件における性能よりも高いことを発見しました。 Miao ら 5 は、タービンインペラ半径方向表面最適化設計法としてのポンプを提案し、最適化されたポンプのタービンとしての効率は、最適サービスポイントで 2.28% 向上しました。 Wang et al.6 は、インペラの入口と出口の速度三角形を分析することにより、タービン入口滑りを伴うポンプとタービンの効率に基づくタービン効率点の性能の予測式を導き出し、回転数 9.0 ～ 54.8 のタービンとして 6 台のポンプを比較しました。実験および数値シミュレーションの結果、設計条件点ではポンプ条件のすべり係数がタービン条件のすべり係数よりも大きいことが示されました。 Frosina ら 7 は、水車としての遠心ポンプの性能を予測するための新しい方法を提案し、他の方法と比較して精度が高いことが判明しました。 Huang et al.8 は、インペラとボリュート間の特性を一致させる原理に基づいて、最適な動作点でのポンプとタービンの流れと揚程を予測するための新しい理論的方法を提案しました。 他の予測方法と比較して、提案した新しい方法の予測結果はより正確であることがわかりました。