基于RBF神经网络与NSGA-Ⅱ算法的渣浆泵多目标参数优化

由于渣浆泵普遍存在扬程低于设计扬程、效率低、磨损严重等问题,该文选取比转速为75的离心式渣浆泵为研究对象,运用商用CFD求解软件Flunet,选取RNG k-ε湍流模型与欧拉两相流模型对其内部流动进行计算。以离心式渣浆泵的效率、高效区作为优化目标,结合Plackeet-Burman筛选试验,将渣浆泵叶片的进口安放角、出口安放角与叶片包角作为优化变量。采用均匀试验设计安排样本空间,利用RBF神经网络拟合优化变量与优化目标间的映射关联,基于NSGA-Ⅱ遗传算法进行多目标寻优。针对优化所得的Pareto解集,选取其中效率最优个体和高效区最优个体与优化前初始模型进行对比:分析了上述3个个体的通过数值模拟得到的性能曲线之间的差异,得到效率最优与叶片进、出口安放角、叶片包角为21.76?、23.43?、145.56?,高效区最优时为19.38?、22.68?、116.71?。通过试验验证,优化后个体性能得到显著提升,效率最优个体的效率较初始个体的效率提高了3.81%,高效区最优个体较初始个体高效区范围提高了4.33%。给出并分析了上述3个个体在叶轮流道中间剖面上固相相对速度矢量及湍动能分布、叶片工作面、叶轮后盖板的固相浓度分布差异。优化结果表明,该优化方法使叶轮的水力特性得到改善,提高了离心式渣浆泵的性能。     

旋流泵的特性分析与设计方法探讨

在旋流泵流场计算及测试基础上,通过试验分析研究了旋流泵的水力结构参数对其性能的影响;对15种优秀的水力模型进行归纳总结,推导出旋流泵统计系数设计方法.设计实例表明了该设计方法的实用性与优越性.同时,针对旋流泵的性能曲线和汽蚀问题与同比转数普通离心泵进行了对比分析.     

渣浆泵叶轮磨损的数值模拟及试验

为研究渣浆泵运行过程中叶轮的磨损情况,该文以一台离心式工程塑料渣浆泵为研究对象,对其全流场进行了结构化网格划分,首先对包括设计工况点在内的5个工况进行了清水条件下的数值模拟,并与试验数据进行对比,发现最大误差不超过5%,设计工况点误差不超过3%,说明所用数值模拟方法得到的结果是可信的。随后基于ANSYS CFX商用软件中的Particle欧拉多相流模型,对模型泵内流场进行了固液两相数值模拟并进行了快速磨损试验,模拟与试验结果表明:叶轮磨损较严重的部位位于叶片进口边、流道中前段靠近叶片压力面的后盖板内侧、叶片压力面与后盖板交界处及叶片压力面端面;背叶片的磨损主要发生在叶片压力面外缘,并由此处开始往轮毂处发展,磨损形状大致呈抛物线型,分析认为隔舌处的高压引起流道中颗粒相回流撞击背叶片外缘是造成背叶片磨损的主要原因。通过模拟结果与试验结果的对比,证明所采用的数值模拟方法可以有效地预测渣浆泵运行时叶轮的磨损,其结果可较好地解释磨损产生的原因,该研究可为今后渣浆泵叶轮抗磨损性能的优化设计提供参考。     

不同工况下大型箱涵式泵装置压力脉动特性及振动特性

为了研究箱涵式泵装置无汽蚀、开敞出流和汽蚀条件下压力脉动特性和振动特性,在进水喇叭管和叶轮室进口壁面布置了4只压力脉动传感器和箱体顶部布置了2只振动传感器,对多个工况点压力脉动特性和振动特性进行了动态测量,揭示了轴流泵进水部分不同条件下的压力脉动规律和振动特性。试验结果表明,叶轮室进口压力脉动峰峰值较大,叶轮室监测点主频值均为叶片转频,进水喇叭管除低频脉动外主频主要分布在叶频和转频位置;各工况点叶轮室进口两测点压力脉动有较好的对称性,进水喇叭管南北两侧压力脉动不对称;叶轮室进口压力脉动峰峰值基本都是随着流量的增加而减小;汽蚀条件下和开敞式出流条件下与没有发生汽蚀时相比,频谱图对应性较好,频率分布大体规律基本能够吻合,主要频率对应的幅值比不发生汽蚀时略大,汽蚀条件下频谱分布更广;水平振动位移均在10μm以内,竖直振动位移较大,说明泵装置运行时竖直振动更为明显。振动位移的大小随着流量的增大而减小。汽蚀条件下振动位移较非汽蚀时增大2.4~8.6μm,其中流量越小竖直振动位移增加越大,因此,实际工程中应尽量避免在小流量工况汽蚀条件下运行。该文关于箱涵式泵装置进水部分压力脉动试验研究可为同类泵站优化设计提供参考。     

轴流泵叶轮区域空化特性数值模拟

为了研究轴流泵内部叶轮区域空化特性,该文基于ANSYSCFX软件,分别应用Standardκ-ε,RNGκ-ε,κ-ω和SSTκ-ω湍流模型、均质多相流模型,对比转数ns=1033轴流泵在不同工况下进行全流道数值计算,将模拟值与试验结果进行对比分析,验证不同湍流模型及多相流模型的适应性并探究叶轮区域的空化特性。结果表明:在设计工况下,基于κ-ω湍流模型较其他3种湍流模型计算准确,临界汽蚀余量NPSHc计算值与试验结果误差为6.32%,可以较好反映轴流泵内部空化特性。随着有效汽蚀余量NPSH值的减小,空化首先在叶片背面进口靠近轮缘处发生,然后沿着主流方向往叶片中部发展直至充满整个流道,在临界汽蚀余量工况下,叶片中部区域空化面积较大,空化较严重时,叶片背面流线在叶片后部较紊乱,在靠近轮毂处形成漩涡微团,并向轮缘处移动,同时引起叶轮出口截面处轴面速度分布不均匀,增加了叶轮区域流场的紊乱性,揭示了叶轮区域内部空化流动特性。     

射流式在线混药装置汽蚀特性数值分析与试验

为了解不同压力比下的汽蚀特性,该文采用试验与数值分析相结合的方法,测量不同出口压力下(0.25、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.35 M'Pa)的工作流体、吸入流体与混合流体的质量流量,得到压力比与混药比的特性曲线;采用Mixture模型中的Zwart-Gerber-Belamri汽蚀模型,分析了不同出口压力下的内部静压分布和气相分布;对试验值与仿真值进行拟合分析,拟合优度R~2=0.9618,验证了模型的准确性;研究结果表明,当压力比大于0.6时,混药性能较差,甚至会出现逆流。当压力比在0.4~0.6之间时,混药比与压力比负相关。当压力比小于0.4时,混药比与压力比无关,即达到汽蚀混药比:在工作压力为2.0 MPa,吸入口压力为0下,当出口压力为0.8:MPa(压力比为0.4)时,内部流体发生汽蚀,且出口压力越低,汽蚀现象越严重。该研究为提高装置混药比稳定性能,保障流式混药装置高效运行提供理论依据。     

旋流泵性能及内部流场试验分析

为了研究旋流泵性能及内部流场特性,在32WB8-12型样泵型式试验和5孔球形探针无叶腔流场测量基础上,阐明旋流泵抽吸及扬程和汽蚀形成原理,得出流量-汽蚀余量性能曲线为下降抛物线形;基于重组化群k-ε湍流模型对模型泵内部三维流动进行数值计算;通过流场测试与数值模拟对比分析,证明数值计算达到一定程度逼真性和精确度。结果表明,旋流泵内部流动主要由贯通流等组成;叶轮区域呈强制涡特征,存在相对轴向旋涡运动;无叶腔区域类似于组合涡,存在回流、循环流和自由涡运动,呈非轴对称、非定常流动,紊乱程度相当高,这是造成旋流泵效率偏低的主要原因。     

导叶涡壳组合式双级泵的研究

文章介绍了一种新型导叶涡壳组合式双级泵的结构及工作原理,该泵在高速运转时,导叶、涡壳组合式双级泵液体具有稳定的相对运动,从叶轮流出来的高速液体的动能迅速转换为压能,消除液体的速度环量,减小径向力。在泵吸入口增设消旋器,解决了泵在高转速下容易产生汽蚀等问题,又起支撑轴的作用,泵运转平稳、可靠、寿命长。论述了泵的设计方法,并给出了泵的性能试验结果;泵的效率比国家标准规定效率提高8%,泵汽蚀余量比国家标准规定值低0.7 m。最后总结了泵的优点,该泵的研究是成功的,而且质量减轻30%以上。     

微型离心泵诱导轮与叶轮轴向距离匹配特性

诱导轮与叶轮匹配不合理,是影响微型离心泵运行稳定性的原因之一。为了研究诱导轮与叶轮之间的轴向距离(简称为轴向距离)的匹配对离心泵性能的影响,该文以一台前置诱导轮离心泵为研究对象,采用数值方法定量分析了不同轴向距离对离心泵能量特性、汽蚀特性和压力脉动特性的影响。选取5种轴向距离,分别为0.1S,0.5S,1.0S、1.5S和2.0S(S为诱导轮轴向长度与叶栅稠密度的比值),对离心泵进行三维流场数值预测。结果表明,轴向距离增加后,扬程和效率均有所增加,汽蚀余量降低,但叶轮内压力脉动幅值升高。其中,在额定工况下,当轴向距离增大至1.0S时,扬程提高了0.61m,效率提高了5.8%,临界汽蚀余量降低了0.4m;轴向距离继续增大后,各项性能变化不大。综合分析认为,轴向距离为1.0S时,诱导轮与叶轮的匹配性能最佳,有利于离心泵稳定运行。研究结果可为微型离心泵诱导轮与叶轮的匹配设计提供参考。     

进口弯管及前置扰流子对离心泵性能影响

为提高离心泵运行性能,设计了3种弯管前置扰流子。利用计算流体动力学软件FLUENT中提供的多重参考系(MRF)模型,采用标准k-ε模型和SIMPLE算法求解不可压缩Navier-Stokes方程,对带有不同进口弯管及扰流子的离心泵在设计工况下进行全流场数值模拟。结果表明:离心泵外接弯管上90°弯头的转向半径R和入口直管段长度L对泵的运行效率均有影响,其中转向半径的影响更为明显,通过适当的增加R和L可有效地提高离心泵的运行效率,效率最高可达81.98%。而在弯管前端安装扰流子后,泵的入口流动状态可以得到很好的改善,进而提高离心泵的运行效率和抗汽蚀性能,其中以CJ-3406翼型扰流子性能最佳,效率最高可提高4%,而采用3307b翼型扰流子时有效汽蚀余量最高可提高近0.2 m。该文为实际生产中如何改进入口管路和提高离心泵的运行性能提供了新思路。     

叶片低压边的轴面位置对高水头水泵水轮机空化性能的影响

水泵水轮机转轮叶片低压边相比其他部位更具有空蚀的危险性。首先基于低比转速混流式转轮设计程序,设计了3个具有不同低压边轴面位置的叶片。然后采用数值模拟方法对3个转轮分别进行了3个不同出力的水轮机工况以及3个不同流量的水泵工况的全流道定常数值计算,对比分析了各计算工况下转轮的能量特性、流动特征及空化形态。研究表明,在一定范围内,叶片低压边轴面位置前移可以改善大流量水泵工况下转轮叶片进口的脱流情况,从而提高大流量水泵工况的扬程和空化性能。低压边轴面位置的后移,使得水轮机设计工况和满负荷工况的水力效率降低,但是改善了水轮机大流量工况的空化性能;并且叶片低压边轴面位置后移可以改善小流量工况下叶片进口的来流均匀性,从而提高小流量水泵工况的空化性能。相比而言,低压边在上冠型线位置的直径与转轮直径之比为0.4998的第2种低压边位置转轮在水轮机和水泵2种工况下都表现出比较好的空化性能,满足设计要求。     

离心泵空化状态下声发射信号的小波能量特征

为了探究离心泵空化状态下声发射信号的频率分布特征及其变化规律,该文采用小波分析方法对离心泵空化试验过程中不同空化状态下的声发射信号进行了能量特征提取,研究了不同频段内声发射信号的能量特征随离心泵汽蚀余量变化的关系。试验分析结果表明,在离心泵的空化现象尚未出现以及不同的发展阶段,离心泵进、出口处声发射信号的全频段和各分频段绝对能量和相对能量的变化具有各不相同的特点。31.25~62.5、62.5~125和125~250 k Hz这3个分频段的绝对能量随空化状态改变而变化明显,且变化趋势与全频段的变化趋势类似。31.25~62.5 k Hz分频段的相对能量在空化状态变化过程中基本保持不变,而62.5~125和125~250 k Hz分频段的相对能量变化更为明显。研究结果可为离心泵空化状态的判别提供技术参考。     

沙粒粒径与含沙量对离心泵空化特性的影响

为了研究沙粒粒径与含沙量对离心泵空化特性的影响,对含沙条件下与清水介质下离心泵内部空化流场进行数值计算.所采用沙粒粒径分别为0.005、0.010、0.015 mm,含沙量分别为0.5%、1.0%、1.5%.通过对清水介质外特性与平头圆柱空化流动进行数值计算并与试验结果相对比,验证算法的可靠性.计算结果表明:含沙量为1.0%时,随粒径逐渐增大,沙粒对空化的影响表现为先促进、后抑制;沙粒粒径为0.010 mm时,随含沙量不断增多,沙粒对空化的影响表现为先促进、后抑制.高压条件下,清水介质中无空化泡产生,含沙水流中均有少量空化泡产生.空化充分发展时,与清水介质相比,含沙水中空化泡分布表现为先增大、后接近、再变小.在沙粒磨蚀与空蚀的共同作用下,含沙水流条件下的扬程均低于清水介质下的扬程,且分别随粒径、含沙量的增加,逐渐减小.     

屏蔽泵轴向力平衡新方法

屏蔽泵的轴向力平衡成为影响屏蔽泵使用寿命和效率的关键因素。由于传统平衡方法难以完全解决屏蔽泵轴向力平衡问题,因此,采用新的轴向力平衡结构及方法显得十分必要。该文通过对屏蔽泵轴向力的特点分析与计算,采用校核计算的方法设计一个副叶轮,由副叶轮带动冷却液在冷却回路中循环流动,并产生一个与主叶轮产生的轴向力及转子重力等合力大小相等,方向相反的轴向力,从而消除轴向力。通过轴向力平衡计算和试验测量,屏蔽泵残余轴向力较小,满足规定要求,计算结果与试验测量结果基本一致。应用实例表明,屏蔽泵轴向力平衡新方法可靠,计算过程正确,能基本消除残余的轴向力,使轴承的负荷减小,延长轴承使用寿命,实现了屏蔽泵的安全可靠运行,具有一定的工程应用价值。     

PBN65-40-250型屏蔽泵轴向力平衡计算及其试验

屏蔽泵的轴向力能否很好的平衡直接影响到屏蔽泵的安全可靠运行。屏蔽泵轴向力平衡设计技术已成为制约其大型化的难题之一。对PBN65-40-250型屏蔽泵转子的轴向受力全面分析计算,综合屏蔽泵轴向力产生的各种原因,采用调整叶轮后密封环尺寸和平衡孔过流面积的方法,能有效地实现轴向力平衡设计。为了实测屏蔽泵的轴向力,设计了轴向力的测量装置和轴向力试验系统。通过平衡计算和试验验证,理论计算值与实测值基本一致。综合受力计算,轴向力平衡的设计计算方法具有很好的实用价值。     

螺旋离心泵内回流涡空化特性

为了研究回流涡空化特性,对一台螺旋离心泵内部的空化流动进行了可视化研究,在一定的工况下该泵内部发生了回流涡空化,捕捉到了不同流量下螺旋离心泵内部回流涡空化形态,发现回流漩涡空化中存在2个旋转的空化云,并且随着流量的减小,回流涡空化云体积逐渐减小;对该泵进行了数值模拟,发现随着流量的减小,泵进口外部形成的回流区域变小,从而导致回流涡空化云体积逐渐减小。该文对螺旋离心泵内回流涡空化体积演变机理的深入研究提供了参考。     

叶片低压边厚度对水泵水轮机空化性能与强度的影响

水泵水轮机转轮叶片低压边相比其他部位更具有空蚀的危险性。首先基于低比转速混流式转轮设计程序,设计了3种具有不同厚度的叶片,厚度差异主要在叶片低压边位置;然后采用数值模拟方法对3种翼型转轮分别进行了3个不同出力的水轮机工况以及3个不同流量的水泵工况的全流道定常数值计算,对比分析了各计算工况下具有不同叶片低压边厚度的转轮的空化形态及流动特征;最后采用有限元方法对转轮叶片强度进行了校核。研究表明:3种叶片低压边厚度分布规律的转轮均满足强度要求。空化性能方面,水轮机42%出力工况下,翼型2转轮不发生空化;88%出力工况、100%出力工况和水泵大流量工况下,随着叶片低压边的厚度的增大,空化越剧烈;水泵小流量工况与设计工况下,转轮的空化程度并不因低压边厚度的增大而加剧,而是水泵设计工况下,低压边厚度相对最大的翼型3叶片头部绕流平顺,空化性能相对较好,其他2种翼型由于头部出现脱流和漩涡,出现严重空化。     

离心泵非设计工况空化振动噪声的试验测试

在离心泵闭式试验台上,基于虚拟仪器数据采集系统和泵产品测试系统建立了离心泵空化诱导振动噪声的试验测试系统,实现了泵性能参数和空化诱导振动噪声信号的同步采集。以一台单级单吸离心泵为研究对象,测量了模型泵在不同流量下,空化余量(NPSH)变化时的振动和噪声信号并对其进行了处理,得到了不同流量下振动加速度和噪声声压级随NPSH变化的曲线图。试验结果表明:不同流量下,随NPSH的下降,振动加速度和声压级先保持不变然后明显升高,据此可以初步判断泵的初生空化余量;泵体的振动强度高于其他测点;除轴向振动变化规律复杂外,其余测点随着流量的增加振动加强。