能源需求的不断增长是当今社会、经济、技术等方面面临的首要问题,能否充分利用再生能源是实现可持续发展的关键。在石油化工、煤化工、海水淡化、钢铁冶金等多种工业流程中,有大量高压液体的压能被直接浪费,使用液力透平可以将这部分能量回收利用。泵反转作液力透平装置凭借结构简单、体积小、成本低、运行可靠、维护方便等优点已被越来越广泛地应用。目前对离心泵反转作液力透平的研究主要以蜗壳式单级离心泵为研究对象,利用理论推导、数值模拟和实验研究等方法,针对离心泵作液力透平时两工况最优效率点下流量、扬程/压头、效率的换算关系,透平叶轮优化设计理论和方法,透平运行时的稳定性问题及透平的力特性等进行研究。但在实际工业流程中,存在压差很高但流量相对较小的场合,需选用多级离心泵反转作透平,以满足回收高压、小流量余压能的需求。本文以某厂生产的比转速n_s=62.5,设计流量Q_d=85m³/h,单级扬程H=80m的导叶式4级离心泵为研究对象,针对导叶式多级泵作透平时的力特性变化与稳定性等问题,利用数值模拟方法,对导叶式多级泵在泵与透平两工况下的间隙泄漏变化、泵腔流体运动规律、轴向力的计算及两工况下主要过流部件的压力脉动特性进行研究。本文主要研究内容如下:1.对作研究对象的导叶式4级离心泵进行全流道数值模拟,通过与实验结果对比,验证数值模拟方法的可行性。基于导叶式4级离心泵在泵工况与透平工况下的定常数值计算,得到两工况下外特性曲线。计算基于各自最优效率点的性能换算系数,对比同比转速蜗壳式单级泵作透平的性能换算系数,得到两者有一定差异,说明直接利用同比转速蜗壳式单级泵作液力透平的性能换算系数来预测导叶式多级透平性能是不可行的。2.对比泵与透平工况不同流量下各级口环间隙与级间间隙相对泄漏量,得到泵工况和透平工况下各级口环间隙相对泄漏量均随流量的增大逐渐减小,泵工况各级级间间隙相对泄漏量随流量增大持续减小直至泄漏流反向流动,透平工况各级级间间隙相对泄漏量随流量增大而减小并最终趋于定值。3.基于模型泵在泵工况0.75Q_PB、1.0Q_PB、1.25Q_PB与透平工况0.75Q_TB、1.0Q_TB、1.25Q_TB下各级前腔与后腔流体在不同轴向位置与径向位置处的旋转角速度,绘制各级前腔与后腔流体旋转角速度分布图。根据腔体液流核心区角速度分布规律,得到与流量、径向位置有关的腔体液流旋转角速度计算公式。4.根据考虑间隙泄漏对泵腔流体运动影响的数值模拟结果,计算得到模型泵在泵工况与透平工况下的轴向力。在一定流量范围内,泵工况下的轴向力随流量增大而减小,透平工况下的轴向力随流量增大而增大,透平工况最优效率点的轴向力大于泵工况最优效率点。泵与透平最优工况下的轴向力均稍大于经验公式计算得到轴向力,其相对误差分别为8.43%与11.91%,故根据泵理论设计的平衡盘在透平工况下仍可满足平衡轴向力的需要。5.基于多级泵简化模型在泵工况与透平工况下的非定常数值模拟结果,得到两工况下各级径向导叶与各级叶轮内监测点的压力脉动规律。在泵与透平工况下各监测点脉动强度均较小,故模型泵在反转作液力透平时仍可稳定运行。