不同几何形状环形槽对高速诱导轮空化性能的影响

为进一步探究提升航空航天用高速离心泵空化性能的方法,研究环形槽几何形状对高速诱导轮空化性能的影响,设计了矩形、单曲率、双曲率3种不同几何形状的环形槽.使用原模型泵的外特性和空化性能试验验证了数值模拟方法的有效性,对不同方案进行数值模拟,分析不同几何形状环形槽对高速诱导轮离心泵空化性能、流道内能量分布以及诱导轮入口流态的影响.结果发现：在高速诱导轮上游设置环形槽可以降低泵的必需汽蚀余量,其中单曲率槽可以使离心泵的必需汽蚀余量降低得更多,为27.0%,双曲率槽和矩形槽分别使必需汽蚀余量降低14.7%和5.4%;环形槽可以减小叶顶间隙回流对上游主流的影响,诱导轮叶片上湍动能分布更加均匀,诱导轮流道内的压力明显提升;回流在单曲率槽中的过渡更为平滑而对周向旋涡的抑制作用较弱,矩形槽和双曲率槽吸收壁面旋涡的能力更强,可以削弱上游不对称涡向诱导轮流道的发展和影响.     

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。     

诱导轮进口轮毂比对离心泵空化性能的影响

以某型LNG电动超低温潜液泵作为模型泵,基于数值计算和试验,研究了诱导轮进口轮毂比对空化性能的影响规律.采用RNG k-ε湍流模型和Rayleigh-Plesset空化模型对模型泵进行全三维数值计算,试验验证了数值计算的准确性,并选取诱导轮进口轮毂比分别为0.260,0.274,0.289,0.303和0.318的5组离心泵设计方案,对比分析了诱导轮和叶轮内空化发展过程、静压分布规律及离心泵的空化特性曲线.结果表明:采用不同诱导轮进口轮毂比的离心泵,其诱导轮和叶轮流道内的空化发展过程基本一致,空化首先发生在诱导轮进口轮缘处的低压区;增大诱导轮进口轮毂比会提高诱导轮轮缘处液流的进口轴面速度,致使叶片进口冲角降低,在叶片吸力面产生脱流,并且低压分布区域的面积逐渐扩大,离心泵的空化性能下降.因此,在诱导轮的设计过程中,为了获得更高的离心泵空化性能,可在适当范围内降低诱导轮进口轮毂比.     

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.     

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.     

叶轮几何参数对离心泵断裂空化性能的影响

为了改善离心泵的空化性能,研究离心泵断裂空化发生机理,对1个比转数为134的单级离心泵进行空化性能的模拟计算,通过改变叶轮的进口直径、叶片进口安放角和叶轮出口宽度进行数值模拟,根据模拟结果预测了模型泵的空化性能,并分析不同空化余量下叶轮流道内的气泡分布.研究结果表明:在额定工况下,随着进口压力的降低,空泡首先在叶片背面进口边附近产生,然后随着叶轮旋转沿流道向叶轮出口扩散,并随着流道过流面积的增加向叶片工作面扩展;叶轮流道内气泡呈不对称分布的主要原因是由于叶轮与蜗壳的动静耦合作用,使叶轮叶片表面的压力分布不对称造成的;与叶轮进口参数相比,叶轮出口宽度的变化对离心泵空化性能的影响不大;当增大叶片进口安放角后,减小了叶片的弯曲程度,叶片进口的过流面积增大,空化性能得到改善,相同进口压力下的空化余量值减小;在进口直径和进口安放角的变化过程中,均存在一个最佳值,最佳值对离心泵效率和空化性能的提高具有重要意义.     

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.     

带诱导轮的离心泵空化条件下的效率下降规律

为定量研究空化对离心泵能量转换过程的影响,从流道内空泡分布和叶片载荷分布两方面探讨了离心泵效率下降的规律.基于RNG k-ε湍流方程和Rayleigh-Plesset空化模型对带诱导轮的离心泵的空化流动进行了数值模拟,获得了空化条件下影响离心泵效率下降的主要因素,包括扬程、功率及装置净正吸头等,并重点讨论了功率的变化对效率的影响.通过绘制叶片静压分布曲线分析离心泵效率及功率的变化趋势.结果表明：空化对叶片进口和叶片吸力面的压力影响很大;空化发展的过程中,功率的变化可分为3个过程,即功率下降段、功率上升段及迅速下降段;由于功率的下降没有扬程下降剧烈,泵总效率呈下降趋势;根据静压分布曲线及空泡分布图可以发现,叶片靠近后盖板的区域比靠近前盖板区域的空化严重,这也是叶片上不同位置处载荷差异的原因.     

带诱导轮的离心泵空化条件下的效率下降规律

为定量研究空化对离心泵能量转换过程的影响,从流道内空泡分布和叶片载荷分布两方面探讨了离心泵效率下降的规律.基于RNG k-ε湍流方程和Rayleigh-Plesset空化模型对带诱导轮的离心泵的空化流动进行了数值模拟,获得了空化条件下影响离心泵效率下降的主要因素,包括扬程、功率及装置净正吸头等,并重点讨论了功率的变化对效率的影响.通过绘制叶片静压分布曲线分析离心泵效率及功率的变化趋势.结果表明：空化对叶片进口和叶片吸力面的压力影响很大;空化发展的过程中,功率的变化可分为3个过程,即功率下降段、功率上升段及迅速下降段;由于功率的下降没有扬程下降剧烈,泵总效率呈下降趋势;根据静压分布曲线及空泡分布图可以发现,叶片靠近后盖板的区域比靠近前盖板区域的空化严重,这也是叶片上不同位置处载荷差异的原因.     

交错叶轮双吸离心泵空化特性研究

为了探究交错叶轮双吸离心泵的空化性能,结合Rayleigh-Plesset空化模型和RNGk-ε湍流模型,对一叶轮两侧叶片进行交错布置结构的双吸离心泵内部空化流动进行了数值模拟,分析了空化对泵内压强分布的影响,绘制了空化特性曲线,并分析了不同工况下叶轮所受径向力,同时研究了空化对叶轮叶片空泡体积分数及泵内湍动能分布的影响。结果表明,交错叶轮双吸离心泵空化特性同常规离心泵空化特性具有一致性,空化对叶轮所受径向力大小以及湍动能分布都有较大影响。     

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.     

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.     

叶片进口边穿孔对离心泵空化性能的影响

为了研究叶片进口边位置附近穿孔对离心泵非定常空化性能的影响规律,以某离心泵为研究对象,在叶片进口边同一位置设计了10种孔径大小不同的圆孔,基于SST k-ω湍流模型和Zwart空化模型,分别对这10种叶轮的离心泵进行清水介质下的全流道三维非定常数值模拟,并同试验结果进行对比.研究发现,对于低比转数离心泵而言,在进口边气泡最先产生的位置进行叶片穿孔(该位置距叶片头部距离约占整个叶片长度的1/30),当穿孔直径为8 mm时,不仅扬程、效率得到提高,而且可显著地提高离心泵的空化性能;穿孔叶片将每个叶轮流道内整体的空化区截断成了2个空化区,随着孔径的增大,叶轮内低压区分布范围先减小后增大,当孔径为8 mm时,低压区的分布范围最小;叶片穿孔后叶轮内压力脉动幅值明显大于原型叶片且穿孔对流场的影响作用随着与穿孔位置距离的增大而逐渐减弱,在蜗壳内穿孔对流场的影响作用完全消失.     

弯掠叶片对轴流泵驼峰及空化性能的影响

以高速轴流泵为研究对象,通过改变叶片在轴面的积迭线得到弯掠叶片.分别对弯掠叶片高速轴流泵和原型叶片高速轴流泵进行全三维流道整机数值模拟,得到其外特性曲线,并针对设计工况和出现＂驼峰区＂时对应的失速工况施加空化模型进行数值模拟,研究叶片的弯掠对其空化性能的影响及叶片表面压力分布规律.模拟结果对比表明：合理的弯掠叶片可有效改善原型叶片轴流泵出现的＂驼峰区＂,控制叶顶二次流的发生及发展,回收端壁二次流的能量损失,从而改善轴流泵在驼峰区的运行性能;同时,弯掠叶片提高了轴流泵在失速工况的空化性能,改变其叶片进口处梯度分布,避免了流体在壁面较易产生的分离流动;但在设计工况时其空化性能劣于原型叶片轴流泵,叶片表面压力分布也显示,原型叶片的表面压差大于弯掠叶片的表面压差,因此在设计工况时原型叶片的做功能力优于弯掠叶片.     

叶顶间隙对诱导轮内部流动特性的影响

为研究不同叶顶间隙值对诱导轮内部流动特性及非定常特性的影响,采用ANSYS CFX软件,基于SST k-ω湍流模型对某高速离心泵在3种不同诱导轮叶顶间隙率(0.01、0.02、0.03)下进行内部流场数值模拟。分析诱导轮内部流动特性、0.6Qd流量工况下轴向截面压力脉动以及诱导轮所受径向力。结果表明:适当增大叶顶间隙对泵的扬程和效率影响较小,但可以减弱壁面射流,改善诱导轮叶片进口压力分布,提高其空化性能。叶顶间隙对诱导轮进口处压力脉动影响较大,对诱导轮中后段处压力脉动影响较小。对本文模型而言,0.6Qd流量工况下叶顶间隙率增加至0.03时,径向力分布情况最好,说明适当增加叶顶间隙有助于减小和平衡小流量工况下诱导轮所受径向力。     

诱导轮偏转角对离心泵叶轮空化性能的影响

为了阐明诱导轮偏转角对离心泵叶轮空化性能的影响,改善离心泵的空化性能,找到最佳周向位置,基于均相流假设,采用IDM空化模型与RNG k-ε湍流模型,先选取诱导轮偏转角分别为0°,10°,20°,30°,40°,50°共6种方案,对离心泵外特性及诱导轮和叶轮空化性能进行数值模拟和试验对比,得到不同方案下离心泵的性能数据.计算得到的NPSHR曲线与试验数据吻合较好,验证了计算方法的准确性;基于数值模拟结果,分析了不同偏转角下诱导轮与叶轮内气泡分布规律,发现不同偏转角下诱导轮和叶轮内空化发展过程及气泡发展规律基本相同,但偏转角为10°时气泡发展速度较慢、各空化阶段分布面积较小,进一步选择5°和15°偏转角进行计算分析,得到更精确的结论,即诱导轮偏转角为5°时离心泵的综合水力性能最优.     

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．     

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.     

螺旋离心式诱导轮对旋流泵力学特性的影响

为了优化旋流泵输送含复杂介质、固相颗粒流体的能力和提高固液两相流输送效率,在叶轮前加置具有导向和推进作用的螺旋离心式诱导轮.通过对150WX-200-20型旋流泵进行数值计算及试验,获得了有、无诱导轮式旋流泵的性能变化,在此基础上,将旋流泵的力学特性与流动特性结合起来,分析螺旋离心式诱导轮对旋流泵力学特性的影响.研究结果表明,无叶腔内流体在诱导轮作用下,流体的运动形态发生变化,产生了旋涡、二次流等现象,加剧了压力脉动的强度,但压力脉动幅值有减小的趋势;蜗壳内压力脉动强度不仅与监测点和隔舌的相对位置有关,也和监测点所在流面的截面面积存在一定联系,当监测点所在断面面积既能保证流体受蜗壳的约束,且流体流动更加均匀时,该监测点的压力脉动越小;加置诱导轮后,进入叶轮流体由轴向运动转为径向运动,从而削弱轴向力的大小,同时,单叶片诱导轮非对称结构也会加剧波动变化.这一研究对了解旋流泵内的压力脉动变化、削弱轴向力及提高泵运行的稳定性具有重要意义.