口环间隙变化对高转速离心泵性能的影响

为了阐明口环间隙变化对高转速离心泵性能的影响,以一台转速n为38 500 r/min的离心泵为研究对象,基于泵几何参数,建立前、后口环间隙变化为0.01 mm的16种匹配方案,通过数值模拟方法预测了不同匹配方案下离心泵的性能.结果表明:当后口环间隙越小时,效率及轴功率对前口环间隙变化的敏感度越高;当前口环间隙越小时,效率及轴功率对后口环间隙变化的敏感度也越高;当前口环间隙一定时,随着后口环间隙的增大,扬程下降;当后口环间隙一定时,扬程随着前口环间隙的增大出现微小上升;无论是小间隙匹配还是大间隙匹配,前、后口环处泄漏量均随着流量的增大而减小;匹配的间隙值越大,对应模型的扬程及效率越低,功率越大,扬程随流量的变化越明显;口环内部水力阻力的形成主要是消耗了静压,液体通过口环后,其速度的变化并不明显;随着口环间隙的增大,在口环内同一位置处静压下降,动压上升.     

环形槽位置对高速诱导轮空化性能的影响

为抑制由高速诱导轮叶顶间隙泄漏涡引起的空化,在高速诱导轮上游和下游设立能吸纳泄漏涡的结构(即环形槽),并设计了5种环形槽方案,通过试验及数值计算相结合的方法研究不同环形槽方案对空化的抑制机理.研究发现:空泡最先出现在诱导轮吸力面进口边与轮缘相交的位置,随着管道进口压力的不断降低,空泡会不断向诱导轮流道内发展,进而漫延至离心叶轮叶片背面;环形槽能有效抑制间隙泄漏涡空化、不对称涡空化和旋转涡空化现象的发生,并在几乎不影响离心泵扬程及效率的情况下,提高离心叶轮的入口压力和离心泵扬程,有效地改善其空化性能;但同时发现,当环形槽位于诱导轮下游即轴向距离L₃=-10.0 mm和L₄=-12.5 mm时,会干涉诱导轮流道内流体的流动状态,影响诱导轮做功和能量交换,即环形槽在与诱导轮匹配时,两者有最佳轴向位置,此时环形槽与诱导轮的轴向距离L₁=2.5 mm.     

叶轮口环间隙对离心泵性能及流动特性的影响

为了研究不同叶轮口环间隙对离心泵性能及其流动特性的影响,以一台单级单吸离心泵为研究对象,开展三维数值计算和试验.在传统口环间隙范围内选取2个不同的值(0.25 mm和0.50 mm)并选取一个大于常规范围的值(0.75 mm),通过对比各个间隙下离心泵的性能和前腔的流动特性,获得了前口环间隙对离心泵性能及流动特性的影响规律.结果表明:随着叶轮口环间隙的增大,离心泵扬程随之减小,效率也随之降低;口环间隙为0.50 mm时叶轮所受的径向力最大,其次是0.25 mm,0.75 mm时最小;随着口环间隙的增大,口环圆周截面的总压分布更加均匀,与前腔相接的部位总压下降,与叶轮进口相接的部位总压上升;受口环及叶轮前盖板所产生的离心力影响,前腔内流体的径向分速度随口环间隙的增大而增大,前腔轴截面的涡量也随之增大,流线的形状更加流畅规则.     

变螺距诱导轮对高速离心泵空化性能的影响

为了研究诱导轮的几何形状以及诱导轮与叶轮之间的相互配合对于高速离心泵的空化性能的影响,基于RNG k-ε模型和Schnerr-Sauer空化模型,对于高速离心泵在前置不同几何结构的变螺距诱导轮和多种诱导轮与叶轮的配合条件下进行了数值模拟.结果表明,与叶片直径线性变化的变螺距诱导轮相比,叶片直径为常数的变螺距诱导轮可以更好地改善高速离心泵的空化性能;诱导轮与叶轮直径轴向距离太小或者过大,将导致叶轮的压力系数与空化数减小,叶轮流道气相体积占比增加,高速离心泵的效率及扬程下降;另外,高速离心泵的空化性能随周向夹角改变而产生很大波动,但是变化规律不明显.     

诱导轮离心泵空化条件下扬程下降分析

以空化条件下离心泵的扬程下降为切入点,基于RNGk -ε湍流方程和Rayleigh-Plesset空化模型研究带诱导轮的离心泵空化流动,获得了空化条件下离心泵流道的空泡分布及扬程下降规律,分析结果表明,空泡发展至诱导轮的喉部时,扬程开始下降;随着压力的降低,空泡首先出现在叶轮进口,并逐步发展至整个流道,进而影响离心泵的内部流动及能量转换;空化同时会引起局部流道的压增现象,压增的位置随空化强度的增大向下游流道移动.验证了诱导轮可以改善泵的空化性能,它能抑制空泡在主叶轮内的扩散,使空化仅造成主叶轮叶片进口处压力的缓慢下降,而主叶轮的扬程并未明显下降.     

开式离心泵全流场数值模拟

介绍了开式叶轮的设计方法,确定了泵的主要设计参数。详细论述了开式离心泵全流道模型的建立方法,采用FLUENT软件对轴向间隙分别为0.5,0.75,1,1.25和1.5mm的开式离心泵进行全流场数值模拟,计算时采用雷诺时均方程和标准k-ε湍流模型,应用SIMPLE算法,对比分析泵内部静压力和速度,分析轴向间隙对开式离心泵内流场、空化性能、扬程及效率的影响,得出随着轴向间隙的增大,开式离心泵的抗空化性能、扬程和效率降低的结论,为开式离心泵的优化设计提供了有价值的参考。     

变螺距诱导轮对高速离心泵性能及流场的影响研究

为了定量研究诱导轮对高速离心泵内部流场和性能的影响,分别对有诱导轮和无诱导轮的高速离心泵进行三维非定常全流道数值模拟,并获得其压力脉动特性和作用在叶轮上的径向力分布。通过对比分析发现诱导轮产生的扬程提高了叶轮进口压力,从而提升泵的抗汽蚀性能并且能增大泵的扬程,但对效率有一定影响。模拟结果还表明,有、无诱导轮的高速离心泵内压力脉动均主要是由于叶轮和蜗壳动静干涉产生,且主频与叶频相一致,加装诱导轮对泵内的压力脉动频率分布影响较小,幅值在小流量下有所增大而设计流量和大流量下则有所降低。加装诱导轮之后,设计工况和小流量下叶轮受到的径向力的均值与最大值都比无诱导轮模型泵稍大,其中设计工况下均值和最大值分别增大15.13%和18.4%。     

叶轮口环间隙对井用潜水泵性能的影响

井用潜水泵的口环间隙大小对泵性能及流场具有较大影响,基于200QJ80-22井用潜水泵,通过CFD软件对泵全流场进行了数值计算,并与试验结果进行对比分析,研究了不同口环间隙大小对泵外特性和内部流场的影响.数值模拟结果表明,整泵的扬程和效率都随着间隙值的增大而减小,特别是口环间隙值增大到0.70 mm,减小更为明显,但功率变化较小.当间隙值达到1.00 mm时,效率从最高点的77.2%减小为68.7%,同时扬程也随之减小了约3.5 m.口环间隙为0.20 mm时,第一,二级叶轮前盖板腔体内以及叶轮出口与前盖板区域间产生回流,泄漏量较小,对叶轮进口流动和流场影响也较小,当口环间隙值增大至0.50 mm时,第一,二级叶轮前盖板腔体内以及叶轮出口与前盖板区域间回流逐渐消失,但更大的泄漏量冲击叶轮进口处,使叶轮进口过流面积减小,严重影响了泵的水力性能.     

密封口环磨损对离心泵外特性及内流场的影响

以比转数为88的立式离心泵为研究对象,基于CFD研究不同口环间隙对能量性能及压力脉动的影响.研究分为5组方案,使间隙值f从0.13 mm增大到0.93 mm,Δf=0.2 mm.通过外特性试验结果对比,验证了计算方法的准确性,进一步研究口环间隙变化对性能及压力脉动的影响,结果表明:随着口环间隙的增大,模型泵扬程和效率均有所下降,下降值分别为4.00%和7.99%,前泵腔口环泄漏量增大约3.3倍;间隙变化对泵内流场的影响主要集中在前泵腔及间隙出口处,随着间隙的增大,泵腔低压区向蜗室方向扩大,间隙出口处高压区也有所扩大;绝对速度矢量涡由间隙出口附近向叶轮入口移动,导致入口处流体稳定性变差;隔舌及前泵腔处压力脉动幅值下降明显,下降值ΔCp分别为0.002 5和0.002 0;对比分析5组方案中扬程、效率及压力脉动幅值的变化趋势可知,设计工况下模型泵对前口环间隙变化的敏感范围在0.13~0.53 mm.     

高速诱导轮离心泵内空化发展可视化实验与数值模拟

为了研究高速诱导轮离心泵内空化发生发展规律,采用高速摄像技术,对离心泵内诱导轮与叶轮流道的空化流动进行可视化研究,并结合CFD数值计算对离心泵内部流场进行模拟分析。结果表明:在空化初生阶段(汽蚀余量为5.0 m),诱导轮叶片前缘出现叶顶泄漏涡空化;在空化发展阶段(汽蚀余量为1.07~5.0 m),流动极为复杂,在诱导轮流道内同时出现叶顶泄漏涡空化、片状空化和云状空化,并且在较低汽蚀余量(汽蚀余量为1.5 m)时,出现不对称空化现象。在空化初生和发展阶段,泵的扬程和效率基本保持不变;在空化恶化阶段(汽蚀余量小于1.07 m),诱导轮流道内基本被空泡堵塞,空泡进入叶轮流道,导致离心泵扬程和效率急剧下降。     

离心泵变螺距诱导轮的开发

为了提高离心泵的抗汽蚀性能,在离心泵叶轮入口处配置变螺距诱导轮,诱导轮设计为变螺距结构,以较小的叶片入口角获得较小的进口流量系数,以较大的叶片出口角产生足够的扬程,满足诱导轮本身的汽蚀性能要求以及离心叶轮入口压力性能的要求．基于诱导轮水力计算方法,分析了变螺距诱导轮的汽蚀性能及变螺距诱导轮重要参数组合,研究了诱导轮的螺距变化规律,给出了变螺距诱导轮应用实例,通过对不同的诱导轮的试验,结果表明,配置变螺距诱导轮的泵组具有良好汽蚀性能．鉴于所介绍的设计方法,考虑一定的尺寸、结构等因素,推出了一组变螺距诱导轮,以便对变螺距诱导轮的生产和进一步的研究提供参考．     

高速离心泵诱导轮与离心轮的匹配

某型号液体火箭发动机推进剂泵压力脉动量级较大,诱导轮与离心轮匹配性不好,是导致泵内压力脉动较大,泵性能降低的重要原因.为了研究诱导轮与离心轮的匹配关系对泵性能及泵内压力脉动特性的影响,通过数值仿真计算方法,从诱导轮与离心轮的匹配性出发,分析了不同诱导轮方案,以及诱导轮与离心轮相对位置变化对泵内流场特性及性能的影响.结果表明:对于大流量高速离心泵,诱导轮出口保持一定长度的等螺距段,有利于改善离心轮入口流动情况,提高泵的性能;诱导轮叶片转折角过大,会导致离心轮进口回流,降低泵的性能;与诱导轮结构方案相比,诱导轮与离心轮的相对位置对泵性能的影响较小;诱导轮与离心轮轴向距离过小会造成离心轮内流动不均匀,泵性能下降;综合考虑汽蚀性能、压力脉动水平和效率,泵方案设计选用进口变螺距、出口等螺距的诱导轮方案.     

高扬程大流量离心泵CFD水力优化设计

选哈电A934模型叶轮作为对象叶轮,以预定的泵扬程流量特性(H-Q)为目标参数,在保证出口角不变的情况下,将对象叶轮出口直径延拓到目标叶轮直径,形成待优化的目标叶轮．使用CFX-TASCFlow软件进行改型设计,针对干河泵站最大扬程、最小扬程以及设计扬程对应的工况点,优化叶轮的轴面形状、叶片数量、叶片翼型以及进出口安放角等参数,直至CFD预测的H-Q特性接近或达到预期的目标,获得满足目标参数的目标叶轮．在此基础上,使用Ansys CFX对目标叶轮进行全通道水力设计,优化流道几何参数,匹配进水管、固定导叶以及蜗壳的几何形状,改善泵进出口区域的流场特性．在哈尔滨电机厂有限责任公司高水头试验II台上进行的模型试验表明,基于CFD技术开发的新型高扬程大流量离心泵在高海拔地区复杂工况条件下,扬程、流量、效率、空化性能等指标均达到了预定的设计目标．     

射流式离心泵性能及内部流动特性

为研究射流式离心泵内流动机理,以JET750G1型射流式离心泵为研究对象,搭建试验测试系统,分别对不同安装高度下射流式离心泵的空化及能量特性进行试验研究;基于k-ω湍流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型,对0 mm安装高度下泵各工况点内部流动进行数值模拟.试验结果表明:当流量增大到一定程度之后,扬程-流量、功率-流量、效率-流量曲线均急剧下降;随着安装高度的增大,陡降起始点向小流量工况偏移.数值计算结果表明:扬程、功率、效率的数值模拟结果与试验值基本吻合,数值模拟性能陡降起始流量点比试验值大0.5 m³/h;射流式离心泵由于其面积比值较小,射流剪切层被迅速排挤到喉管壁面,泵内最低压力点出现在喉管内喷嘴稍后处,空化最早发生在该处;随着流量的增大,空化区域急剧向叶轮进口扩展,性能陡降起始点正好是泵内初生空化流量点,射流式离心泵的空化性能取决于其射流器的空化性能;射流器能提升离心泵扬程和自吸性能,但射流器内高速回流及强剪切流动,导致其效率及空化性能大幅下降.     

修锉叶片出口对离心泵内流场及叶轮强度的影响

当离心泵扬程略低于实际需求时,可以通过修锉叶片出口提高其水力性能.文中对单级单吸离心泵叶轮进行修锉,对比修锉前后试验发现,扬程、效率分别提高了9.8%和6.7%.同时采用CFX软件对该泵在设计工况下的全流场进行了非定常数值计算,对比分析了修锉前后内流场的变化.基于ANSYS Workbench平台,对叶轮进行单向流固耦合计算,分析了修锉叶片出口对叶轮强度的影响.结果表明:叶片出口修锉后,出口尾迹区的绝对速度增大且相对速度减小,导致扬程上升;修锉后叶片出口边的逆压力梯度明显减小,阻止了边界层的分离,减少了摩擦和分离损失,从而提高了效率;叶轮最大等效应力与修锉前相比,其差别随着相位的不同而不同;各相位下,修锉后的叶轮最大总变形均大于修锉前.研究结果为改善离心泵内流场提供了一种可靠的方法.     

多工况高抗汽蚀性能的诱导轮设计

针对某流量调节范围（最大流量/最小流量）为30的低比转数高速离心泵,基于能量匹配法,设计了等螺距和变螺距2种结构形式的诱导轮.采用SST湍流模型和Rayleigh-Plesset空泡动力学模型,对离心泵多工况下的全流场进行汽蚀数值模拟,分析了离心泵多工况下的汽蚀断裂特性和气泡分布等流场特征,揭示了不同工况下带诱导轮离心泵的汽蚀断裂机理.在高速试验台上进行了离心泵外特性水力试验,试验结果与计算结果吻合较好.研究结果表明：能量匹配法是指导高抗汽蚀诱导轮设计的基本方法;随着进口压力的降低,带诱导轮离心泵在各工况下的汽蚀断裂特性不尽相同,大流量工况下的扬程断裂曲线呈大斜率形状快速下降,中流量工况下扬程断裂曲线呈直角形,小流量下扬程断裂曲线呈小斜率形状缓慢下降;相对于等螺距诱导轮,变螺距诱导轮具有更小的冲角和更高的扬程,使高速离心泵具有更宽的稳定工作区间.     

叶片进口边位置对离心泵性能的影响

为了研究叶片进口边位置对离心泵外特性能、内流场的影响规律,在原型泵的基础上,设计了叶片进口边位置不同的5种叶轮,基于SST k-ω湍流模型和Zwart空化模型,分别对5种叶轮的离心泵在清水和含沙水介质下进行三维全流道定常数值计算.结果表明:针对低比转数离心泵,叶片进口排挤严重,使叶片进口边向出口方向延伸可以使叶片进口处的流动更加均匀,液流的流动速度减小,叶片表面的压力变大,从而改善空化性能;在一定范围内变动叶片的进口边位置对离心泵的扬程、效率影响不大,但是当叶片的进口边位置向出口方向延伸过多会导致叶片对液流的做功能力下降,从而使离心泵的扬程明显下降;当离心泵在相同工况下运行时,离心泵进口沙粒含量的增大会使离心泵的扬程、效率降低,且会使流道内空化核的数量增大,从而导致空化性能变差.     

斜流泵不稳定特性及旋转失速研究

为研究斜流泵出现的鞍形曲线机理,利用数值模拟的方法对斜流泵进行了研究。通过定常数值模拟得到了鞍形曲线组成部分——扬程骤降段和随后扬程小幅上升段两部分机理。小流量下叶轮轮缘处存在流动分离,并且形成漩涡,导致叶轮出口有效外径的减小,是扬程骤降主要原因。流量继续下降,在叶轮出口靠近轮毂处出现一个大尺度的涡,由于漩涡阻塞作用,导致液流由轮毂向轮缘处偏移,使叶轮内部流态由斜流式转变为离心式,是扬程小幅上升的原因。为研究叶轮出口出现回流的原因,利用非定常数值模拟对导叶进行研究,发现导叶进口处存在失速是斜流式叶轮内部流态转变为离心式的主要原因。同时发现在小流量下导叶进口压力不均匀性是失速核沿圆周方向传播的主要原因。