翼型最大厚度与最大拱度位置对轴流泵水力性能的影响

为了研究翼型最大厚度与最大拱度位置对轴流泵水力性能的共同影响,以"儒可夫斯基翼型"为基础翼型,对轴流泵叶片的设计参数进行调整,通过数值模拟的方法,分析翼型最大厚度位置及最大拱度位置对轴流泵水力性能的影响。首先对轴流泵进行单因素分析,分别针对翼型最大厚度位置和翼型最大拱度位置,保持水泵其余设计参数不变,对设计的不同叶轮模型进行数值模拟计算,再将2者协同考虑,最后取最优设计结果进行不同工况下轴流泵水力性能分析。设计结果表明,最大翼型厚度位置的理想取值范围为(0.175～0.25)L,翼型最大拱度位置的推荐取值范围为(0.6～0.7)L。同时发现当参数κ取为0～0.07时,水泵综合性能较好。研究可为轴流泵高效设计提供一定的理论基础及设计依据。     

冲角对轴流泵叶轮水力性能的影响

【目的】研究冲角对轴流泵叶轮水力性能的影响。【方法】针对比转数为880的轴流泵叶轮,采用数值模拟方法和数值优化技术,基于儒可夫斯基翼型从3个角度进行冲角对轴流泵水力性能的影响研究。【结果】当设计参数保持不变时,冲角增大,扬程升高,比转数发生变化,最高效率增大,高效区往大流量偏移。为了使翼型处于更高质量区,建议轮缘侧翼型冲角在0～3°之间,且比转数大者取小值。当改变轮毂侧和中间断面翼型冲角时,设计工况下,为了得到较高扬程和较高效率的轴流泵叶轮,可以适当增加中间断面的翼型冲角,同时为了减小叶片扭曲改善非设计工况的水力性能,可以适当减小轮毂侧的翼型冲角。当比转数保持一致时,冲角增大,流量-扬程性能曲线的斜率减小,最高效率值保持相当,高效区范围往大流量偏移且高效区范围变宽。【结论】冲角对轴流泵叶轮水力性能有着重要影响,实际工程应用中,为保证轴流泵叶轮具有较好的水力性能应同时兼顾轮毂和轮缘侧的翼型冲角。     

翼型最大拱度位置对轴流泵水力性能影响的模拟与试验

为了研究翼型拱度对轴流泵水力性能的影响,采用数值模拟和模型试验的方法在参数化翼型的基础上,保持升力系数大体一致,改变翼型最大拱度的位置及高度设计得出对应轴流泵叶轮,分析翼型拱度对轴流泵水力特性的影响。在二维翼型最大拱度位置为0.3L~0.65L时采用翼型优化方法,保证翼型的升力系数基本一致,得到了不同最大翼型拱度位置下的翼型设计方案;针对0.4L、0.5L和0.6L共3种最大翼型拱度位置下的翼型设计方案,采用二维叶栅理论进行轴流泵叶轮设计。其余设计参数均保持不变,得到3副不同的轴流泵叶轮,将配套导叶、弯管、叶轮组合成泵段进行数值模拟计算。最后通过泵段模型试验验证了数值计算结果的可靠性。研究结果表明：为保证轴流泵具有较好的能量性能和汽蚀性能,最大翼型拱度最好选择在0.4L~0.6L的位置。当最大翼型拱度位置为0.5L时,水泵具有较宽的高效区运行范围,流量扬程曲线较为平顺。在小流量区域,最大翼型拱度位置靠近翼型前缘或尾缘时,效率均会下降;在大流量区域,最大翼型拱度位置越靠近翼型尾缘效率越高。随着最大拱度位置向翼型尾缘的偏移,水泵的汽蚀性能有一定的提高。在泵站工程应用时,可通过改变最大翼型拱度位置来满足泵站实际运行的能量性能和汽蚀性能要求。     

轴流泵装置虹吸式出水流道内流机理数值分析

为研究轴流泵对虹吸式出水流道内部流动特性的影响机理,采用CFD(Computational fluid dynamic)方法对虹吸式轴流泵装置进行全流道的数值计算,在考虑了轴流泵与虹吸式出水流道内流相互影响的条件下定性地分析了虹吸式出水流道的流场特征,定量地研究了导叶体出口剩余环量和流量对虹吸式出水流道水力损失的影响,给出了相应的数学关系模型,并将泵装置性能预测结果与模型试验结果进行了对比。结果表明:受导叶体出口剩余环量和流量的双重作用虹吸式出水流道内部流态差异较大,虹吸式出水流道的水力损失主要集中于驼峰断面前的过流通道。各工况时虹吸式出水流道驼峰断面的速度加权平均角的均值为52.34°,不同工况时速度加权平均角变化范围仅在0.1°~2.3°之间。随流量系数的增大,驼峰断面的轴向速度分布均匀度逐渐增大,导叶体出口剩余环量则先减小后增大,在高效工况范围内导叶体出口剩余环量存在最小值。导叶体出口剩余环量通过影响虹吸式出水流道内部流态而对出水流道水力损失产生影响,虹吸式出水流道的水力损失与流量未呈二次方关系。     

立式轴流泵装置的三维湍流流动数值模拟

采用三维湍流数值模拟方法对南水北调东线工程某泵站立式轴流泵装置进行了优化水力设计研究工作;分别建立了轴流泵模型和立式轴流泵装置几何型体数学模型,并分别对轴流泵模型和立式轴流泵装置的内部流动进行了三维湍流数值模拟,计算所得的轴流泵模型的水力性能与模型试验的结果一致;轴流泵装置数值计算所得的水力性能与装置模型试验结果的基本规律相符。计算结果表明:采用数值计算的方法研究立式轴流泵装置内部的三维湍流流动及其水力性能是可行的,在此基础上对立式轴流泵装置进行深入的优化水力设计,可以最大限度地提高泵装置的水力性能。     

翼型优化在人工造流中的计算分析

针对国内潜水搅拌机主要依靠经验来选型以满足工程需求的问题,将潜水搅拌机设计与轴流泵相结合,利用轴流泵的水力设计方法--流线法对潜水搅拌机进行设计.采用多面体网格和边界棱柱层网格的混合网格划分方式,经CFD数值计算验证,得到的初始模型水力效果较好.在此基础上,统计初始模型速度环量分布规律,通过改变潜水搅拌机的出口安放角来改变速度环量沿径向的分布,对叶片翼型进行优化设计,得到了5种优化后的潜水搅拌机水力模型.在恒功率下进行对比分析,根据性能评判标准,最终发现环量分布规律1是潜水搅拌机搅拌效果最佳的翼型特征.研究可为潜水搅拌机叶片优化设计提供坚实的理论基础.     

叶根间隙对双向轴流泵水力性能的影响

为了保证双向轴流泵叶片安放角的可调节性，在叶轮结构设计时，叶片与轮毂之间均会保留一定的间隙，并且该间隙也会随着叶片安装角的调节而发生改变。根据工程经验，叶轮叶根间隙设计不合理会对轴流泵水力性能产生显著影响。为了探究叶根间隙在不同流量下对双向轴流泵正、反运行工况下水力性能的影响，设计了5种叶根径向间隙半径（0、1、3、5、8mm），基于CFX对5种方案在不同运行工况下的水力性能与内部流态进行预测模拟，并将计算结果与试验测量值进行了验证对比。研究结果表明：当叶根径向间隙大于一定数值时，双向轴流泵在正、反运行工况下的扬程与扭矩会出现明显下降。在大流量条件下，泵效率由于叶根径向间隙半径增加而产生的下降幅度较大，正、反运行工况下泵效率最大下降5.72个百分点和3.48个百分点。在研究叶轮流道内部的流场时发现，正、反运行工况下的间隙泄漏量均随着叶根径向间隙半径的增大而上升。对于叶轮出口处的速度分布而言，轮毂附近的轴向速度与绝对速度环量受叶根径向间隙半径影响较为明显，均随着间隙增大而呈现显著的下降趋势。     

导叶叶片数对轴流泵水力性能的影响

为了研究不同导叶数对轴流泵水力性能的影响,基于雷诺时均N-S方程和标准k-ε湍流模型,利用CFX数值模拟软件分别对导叶数为5、7、9的3种不同情况下的轴流泵模型进行模拟计算,并对不同方案下导叶和出水管道水力损失进行了分析处理。数值模拟结果表明:在叶轮叶片数为固定的4片不变的情况下,增加导叶数,将使导叶水力损失增加;此外,小流量工况下,增加导叶数有利于减少出水管道水力损失;大流量工况下,减少导叶数有利于减少出水管道水力损失。最后,通过模型试验验证了数值模拟的可靠性,为以后选择轴流泵导叶数提供了一定的参考。     

蜗壳断面形状及叶轮位置对蜗壳式轴流泵性能的影响

根据速度系数法设计了1种对称的“马蹄形”断面蜗壳和2种非对称的 “圆形”断面蜗壳与相同的轴流泵叶轮组合,并基于标准k-ε模型封闭的雷诺平均方程,应用 ANSYS CFX 14.5 软件,对设计的3个蜗壳式轴流泵内部的三维流动开展数值模拟.当采用“马蹄形”蜗壳时,设计流量点的扬程和效率最低,蜗壳内部压力分布不如非对称的圆形断面蜗壳均匀.选择水力效率相对较高的蜗壳,将4种轴向位置不同的叶轮与该蜗壳组合,并进行三维流动数值模拟,结果表明:叶轮出口与蜗壳进口中间平面距离40 mm时,轴流泵效率最高,叶轮出口与蜗壳进口中间平面距离80 mm时,轴流泵效率最低.此时,过流段和蜗壳内有明显回流和旋涡.轴流式叶轮与蜗壳的相对位置对蜗壳轴流泵的扬程-流量曲线和效率-流量曲线都有明显的影响.     

轮毂比改变的轴流泵装置数值模拟研究

大型泵站工程改造时,不更新土建结构,只更新水力机械设备,而现有优秀水力模型轮毂比不能保证一致时,需进行不同轮毂比对轴流泵装置性能的影响研究。基于数值模拟手段研究不同轮毂比的两副水力模型对轴流泵装置水力性能的影响,得到2种方案泵装置的水力性能,分析了不同轮毂比的轴流泵装置内特性和外特性差别。研究结果表明:对单泵而言,轮毂比较大的轴流泵水力模型效率更高,汽蚀性能较差;对于泵装置性能而言,两者设计工况效率差别不大,总体性能相近。轮毂比增大后,高效区向小流量偏移。并得出当大型泵站更新改造时,轮毂比成为不可更改的因素时,改型设计是可行的。     

叶轮倾斜出口对长轴消防泵内流特性的影响

以XB4.3/240-300LC型立式长轴消防泵为研究对象,在保证叶片包角、进出口安放角、叶轮出口宽度、叶轮出口中间位置到叶轮进口轴向距离以及到旋转轴的径向距离、出口过流断面面积、叶片进口边与前盖板流线交点的径向坐标值均不变的条件下,通过改变叶轮出口倾斜角度设计多种叶轮方案,采用SST湍流模型,对不同方案进行数值模拟和内部流场分析,以寻求泵水力性能最优的叶轮出口倾斜角度.研究结果表明:改变叶轮出口倾斜角度,泵扬程和效率在小流量工况下提升幅度较小,而在大流量工况下,提升幅度相对较大;当叶轮倾斜角度为15°时,泵扬程和效率出现峰值,继续增大倾斜角度,两者反而下降,则倾斜角度为15°视为最优叶轮出口倾斜角度,此时泵扬程和效率相对原始方案分别提高5.95%和1.19%;叶轮出口处绝对速度圆周分量和径向分量在大流量工况下分布有较好的一致性,叶轮出口倾斜角度对其影响较小,而在小流量工况下,各方案的绝对速度分量在流道内分布规律较差;叶轮倾斜出口对环形空间及空间导叶内部湍动能分布有较大影响.     

对旋式轴流泵后置叶轮水力性能分析

为了研究对旋式轴流泵后置叶轮对其水力性能的影响,采用CFD软件对该对旋式轴流泵装置进行数值模拟计算,将前置叶轮与后置叶轮水力特性进行对比分析,研究后置叶轮的进口安放角对整个装置水力特性的影响,最后通过模型试验验证数据的可靠性.结果表明:在设计工况下,对旋式轴流泵扬程为11.32 m,效率为87.57%.在小流量工况下,流量为300 L/s左右泵提前进入马鞍区,此时泵扬程为14.06 m,效率为79.48%;在大流量工况下,流量为440 L/s时,泵装置扬程为2.24 m,效率为54.16%.对旋泵后置叶轮的水流进口冲角要大于前置叶轮的水流进口冲角,导致后置叶轮叶片做功能力增强,后置叶轮扬程增大.改变后置叶轮安放角,特别在小流量工况下,后置叶轮的马鞍区同样提前,后置叶轮的进口液流角几乎相同.研究结果对于对旋式轴流泵后置叶轮的设计和优化提供参考依据.     

叶片型线对渣浆泵水力性能及叶轮磨损特性的影响

为研究叶片型线对渣浆泵水力性能及叶轮磨损特性的影响,以LC100/350型渣浆泵为研究对象,工质为石灰石浆液,在叶轮轴面及叶片进出口安放角等参数不变的条件下,采用对数螺旋线进行叶片型线控制,通过数值计算方法,采用离散相模型,分析渣浆泵叶轮叶片型线对其水力性能及磨损特性之间的关系.计算结果表明:采用变角螺线法设计的圆柱形叶片有利于提高水力效率,但将导致扬程的小幅降低;包角120°的叶型为设计空间水力性能最优叶型;不同的叶片型线条件下,渣浆泵的水力性能与其叶轮磨损特性相互制约;小包角的叶片导致泵的水力性能下降,但叶轮磨损强度相对较低;叶轮的磨损强度与固相浓度呈正相关关系,叶轮磨损最严重的部位位于后盖板靠近轮毂的区域;在大流量工况下叶片包角对叶轮磨损强度影响较额定工况及小流量工况显著得多,颗粒粒径的变化与颗粒浓度的变化对泵的水力性能及叶轮磨损特性的影响基本一致.     

基于比面积调控的潜水排污泵内部流动特性

为研究潜水排污泵叶轮与蜗壳结构几何参数的良好匹配,提高泵的水力性能和运行效率,以某一比转数n_s=261的潜水排污泵为研究对象,根据蜗壳隔舌安放角度的不同,设计3种比面积调控方案.应用计算流体动力学方法对3种方案的泵内部流场进行数值计算,对比分析3种比面积调控方案下泵内部流场的速度、静压、湍动能及其耗散率分布以及蜗壳内水力损失,并通过试验验证了数值计算结果的正确性.研究结果表明:当隔舌安放角在5°内变化时,比面积的变化为影响蜗壳水力性能的主要因素;设计蜗壳时,应优先保证比面积取值在1.0附近;当隔舌安放角为42°~44°,比面积在1.0~1.2内变化时,潜水排污泵的运行效率基本保持恒定.研究结果可为潜水排污泵的优化设计提供一定参考.     

偏航状态下水平轴风力机尾迹偏移及湍流特征分析

为探索水平轴风力机偏航状态下尾迹变化情况,采用数值模拟结合理论分析的方法对不同风速、不同偏航角工况下的S翼型水平轴风力机尾迹流场进行数值分析.首先分析偏航与风力机输出功率之间关系,在此基础上分析不同偏航角工况尾迹中心的偏移情况以及尾迹处湍流强度的变化情况.结果表明:随着偏航角的增大,叶片表面的压强差减小,方位角每隔120°,叶片表面正压和负压在数值上均达到一次峰值,能造成风力机输出功率有明显损失的恶劣偏航角临界值为10°~15°;随着偏航角增大,沿轴向在1.0D之前尾迹速度中心向X轴的负方向偏移的程度增大,在此之后偏航角小于15°时尾迹中心的偏移程度增大,偏航角大于15°时减小;随着偏航角的增大,尾迹湍流强度的最大值增大,尾迹湍流强度恢复加快,尾迹缩短;偏航下风力机尾迹上下侧湍流强度分布不对称,湍流强度变化不同,使风力机尾迹湍流环境更复杂.     

不同翼型前置导叶正预旋对离心泵性能影响

为了优化离心泵运行工况调节,运用叶轮机械设计和前置导叶预旋调节的基本理论,在整流片和Gottingen-364翼型的基础上,设计出两种不同翼型的前置导叶预旋调节装置,研究了不同翼型前置导叶正预旋对离心泵水力特性的影响.试验结果表明：对于单吸离心泵,适当的前置导叶正预旋调节角度选择能够达到离心泵增效节能的效果.与无导叶工况相比,等厚直叶片使离心泵效率最大提高205％,功率消耗最多节省635％;Gottingen弯叶片使离心泵效率最大提高234％,功率消耗最多节省653％;两者都减小了扬程,但影响程度较小.等厚直叶片在两个预旋角度下最高效率点都往小流量区偏移到172 m3／h处;对于Gottingen弯叶片,20°预旋时,最高效率点往小流量区偏移到172 m3／h,40°预旋时,最高效率点往小流量区偏移到190 m3／h,两个预旋角度高效区都得到了扩大.     

基于CFD的轴流泵针对性设计与试验

凌城抽水站各运行工况下的扬程范围变化比较大,在对该泵站轴流泵选型分析时发现,南水北调同台测试中的水力模型能够满足其运行的基本要求,但均有其不合理性:高效区扬程满足设计扬程时,最高扬程缺少安全余量;最高扬程满足时,高效区扬程偏离设计扬程,效率偏低。基于CFD计算对凌城站水力模型进行针对性设计,通过改变叶栅稠密度和翼型安放角,采用多工况优化设计的方法,使得最终设计方案能够满足凌城站的运行要求。然后对水力模型的最终设计方案进行泵段数值模拟研究,数值模拟结果表明该针对性设计的水力模型效率较高,同时兼顾到凌城站最高扬程的要求。最后对针对性设计的水力模型进行泵段试验,试验结果表明基于CFD的轴流泵水力模型的针对性设计是准确的、可靠的,针对凌城站设计的水力模型确实能够更好地满足该泵站的特殊水位要求。同时也说明,对于大型泵站的更新改造,水泵水力模型的针对性设计研究是必要的。     

带分流叶片水泵水轮机小开度下非定常分析

为了研究带分流叶片水泵水轮机在小开度运行下各工况的内流特点及受力特点,以国内某带分流叶片水泵水轮机抽水蓄能电站的水力模型为分析对象,运用CFD数值模拟方法,采用SST k-ω计算模型,对其7.5°开度下的水轮机工况、制动工况和反水泵工况的内流特性进行了非定常数值模拟计算,分析了各工况下机组内部典型监测点的压力脉动特性及轴向力分布规律.结果表明:CFD数值计算能较好地模拟分析带分流叶片水泵水轮机的内流特性;在制动工况和反水泵工况下,转轮流道内出现明显的不稳定流动,二次流和涡结构充满整个转轮,进而引起水流拥堵,分流叶片可以使转轮的出水速度更加均匀;机组甩负荷运行进入制动工况后,转轮所受轴向力明显变大,并伴有负值出现,波动幅度也较大;分流叶片的存在可以预防转轮区出现负压,有助于降低涡结构的强度.