双蜗壳泵压力脉动特性及叶轮径向力数值模

为揭示双蜗壳离心泵的水力不稳定性,采用雷诺时均方法和SST k-ω湍流模型,对一双蜗壳双吸离心泵进行了三维非定常湍流数值模拟,得到了泵内部流场特性及双蜗壳内压力脉动情况.并对其进行了频谱分析.结果表明双蜗壳内存在比较明显的压力脉动.设计工况下压水室内的压力脉动强度小于非设计工况.在设计工况下,隔舌处和隔板区压力脉动频率均以叶片通过频率为主,其中隔板起始端的脉动幅值最大,约为隔舌处的2.5倍.在大流量工况下,隔舌处和隔板起始端压力脉动频率以叶片通过频率为主,而小流量工况下以叶轮转顿为主.叶轮受到的径向力随着叶轮的旋转呈现不稳定性,其中小流量工况时最明显.3种工况下径向力均指向隔板起始端侧.     

单、双出口双蜗壳泵的压力脉动及径向力特性

为研究两种不同双蜗壳型式离心泵的水力特性,采用RNG k-ε湍流模型和滑移网格技术,对单出口双蜗壳及双出口双蜗壳离心泵进行了不同工况下三维非定常湍流数值模拟,得到不同型式双蜗壳泵内压力脉动情况,同时对两种型式泵的径向力进行定常计算对比分析.结果表明:单出口双蜗壳泵内压力脉动高于双出口双蜗壳泵内的压力脉动;在设计工况和非设计工况下,两种型式泵的隔舌及出口处压力脉动的频率均以叶片通过频率为主;在小流量工况下,单出口双蜗壳泵的出口及隔板起始端位置处频率以叶轮转频为主;两种型式双蜗壳离心泵在不同工况下都能有效地平衡径向力,由于单出口双蜗壳泵内存在较为明显的压力脉动,导致其叶轮受到的径向力较大.     

基于流固耦合的隔舌位置对双流道泵综合性能的影响

为了研究隔舌位置对双流道泵水力性能与结构性能的影响,针对3种不同隔舌安放角的双流道泵进行双向流固耦合计算,结果表明:水力性能方面,隔舌位置对扬程的影响较小,而对效率的影响较大,3种方案的最大扬程差仅为0.09 m,而最大效率差达1.1%;隔舌位置主要影响隔舌圆角及往第1断面方向附近与叶轮间隙处的压力脉动程度,隔舌安放角越大,压力脉动越强;叶轮旋转1周,蜗壳所受径向力呈现周期性变化规律,叶片扫过隔舌圆角时,蜗壳所受径向力最小,转过90°时径向力达到最大值.增大隔舌安放角可显著减小蜗壳所受径向力.结构性能方面,叶轮应力集中出现在出口吸力面,蜗壳应力集中出现在隔舌圆角附近靠后盖板处,增大隔舌安放角会增加蜗壳的最大应力值,但振幅减小;双流道泵发生10^-5m量级的位移,最大位移出现在蜗壳出口处,主要受叶片通过频率的影响,呈周期变化趋势,且随着隔舌安放角的增大,蜗壳最大变形量增大,振幅减小;隔舌位置对泵的振动速度影响比较明显,增大隔舌安放角,有助于减小振动.     

叶片载荷对离心泵内流动激励力及噪声的影响

基于大涡模拟技术和边界元方法分析离心泵内非定常流场及流动诱导的结构振动与噪声,研究叶片载荷对离心泵水力性能、流动激励力及流动噪声的影响.数值计算结果表明:相比于低叶片载荷的离心泵,高叶片载荷离心泵的水力效率提高了1.1%~2.9%,流场分布更均匀;相同工况下高叶片载荷离心泵的蜗舌压力脉动系数幅值比低叶片载荷泵高42.6%;叶轮受到的径向力脉动幅度也提高了7.63%;根据声场计算结果,蜗壳壁面振动速度在二阶叶频上最大,高叶片载荷离心泵蜗壳的最大振动速度是低叶片载荷离心泵的5~6倍;蜗壳振动向外辐射噪声的指向性分布也发生了变化,在10°~310°范围内高叶片载荷泵辐射的噪声声压级大于低叶片载荷泵.研究表明叶片载荷是影响离心泵内流动激励力和流动诱导振动与噪声的重要因素,低噪声低振动水泵的设计需综合考虑水力效率与泵内流动激励力.     

隔舌间隙对双吸离心泵内部非定常流场的影响

为了研究隔舌间隙对双吸离心泵内部非定常流场的影响,采用大涡模拟方法和滑移网格技术,对双吸离心泵在设计工况下的内部湍流进行了数值计算,重点分析了5组隔舌间隙下泵内非定常流场特性及压力脉动特性.结果表明:随隔舌间隙增大,水泵扬程整体呈上升趋势,效率则整体呈下降趋势;蜗壳内压力脉动频率以叶片通过频率为主,主频和压力脉动幅值均随隔舌间隙的增大呈减小趋势,隔舌间隙增加4％时,隔舌位置1倍叶片通过频率处的脉动幅值降低9％左右;叶片区压力脉动频率以叶轮转频为主,最大压力脉动幅值均出现在2倍叶轮转频处,当隔舌间隙比设计隔舌间隙减小4％时,叶片正面中心位置2倍叶轮转频处压力脉动幅值增加约38％.     

离心泵内部非定常水力激励特性

以单级蜗壳式离心泵作为研究对象,基于RANS法对离心泵内部流场结构进行了三维非定常数值模拟,探讨其内部的非定常流动特征所诱发的压力脉动特性及水力激励力特性,并在叶轮旋转周期过程中重点针对叶轮及其单个叶片的受力情况进行相关分析.结果表明:不同工况下各监测点压力脉动幅值的变化规律具有一致性,静压沿蜗壳周向分布不均匀;在压力脉动频谱图及叶轮径向力频谱图中叶频均占主导地位,而单个叶片激励力则体现为轴频;单个叶片所受径向力大小随流量的增加而增大,小流量工况下单个叶片的受力不均匀性明显,而接近额定工况时各叶片受力较均匀,且相差不大;通过对单个叶片非定常激励力特性的分析可知,小流量工况下由于隔舌附近叶片出口流动分离使得叶片受力变化明显,受射流尾迹影响更为突出.     

阶梯隔舌对离心泵压力脉动和径向力影响的数值模拟

通过改变隔舌形状,采用SST模型分别对常规隔舌和阶梯隔舌蜗壳的离心泵进行全流道非稳态数值模拟。通过模拟分别获得了常规隔舌和阶梯隔舌蜗壳的离心泵压力脉动特性、作用在蜗壳和叶轮上的径向力特性,并对其进行比较分析。结果表明：采用常规隔舌和阶梯隔舌时,离心泵进出口压力、作用在蜗壳和叶轮上的径向力均随时间呈周期波动,脉动频率均以叶片通过频率为主;采用阶梯隔舌蜗壳后,进出口压力大小值和脉动幅值均明显减弱,高频脉动成分减少,作用在蜗壳上的径向力数值和脉动幅值也减小;作用在叶轮上的径向力大小和方向时刻都在变化,且整体变化趋势基本呈圆形分布。     

前后盖板长度对离心泵外特性与非定常特性的影响

为了研究前后盖板保留长度对离心泵外特性以及非定常特性的影响,以一台比转速为80的离心泵为研究对象,在切削叶轮的叶片外径保持不变的情况下,对比了不同前后盖板直径(168、174和180 mm)对外特性、径向力和压力脉动的影响。通过对离心泵进行全流场非定常计算发现,各流量下扬程、效率均随前后盖板保留长度的增加而增大,扬程最大相差2.14 m,效率最大相差3.5%;在设计工况下,3种方案下的径向力呈周期性变化,矢量图呈五芒星分布,前后盖板保留得越多,径向力越大;由于叶轮与隔舌动静干涉的作用,蜗壳内各监测点压力脉动的主频均为叶频,随着叶轮与蜗壳间间隙的减小,隔舌处的压力脉动在叶频处基本保持不变,其倍频逐渐增大,第二断面的压力脉动系数幅值也逐渐增大。     

叶轮直径对双蜗壳离心泵压力脉动特性的影响

为分析叶轮直径对双蜗壳离心泵压力脉动特性的影响,采用SST k-ω湍流模型和SIMPLEC算法对不同叶轮直径下的双蜗壳离心泵进行数值计算,将外特性参数试验结果与计算结果进行对比。研究表明,离心泵外特性参数(扬程H与输出功率P)随直径变化是等梯度的,并且计算值与试验值基本吻合;小流量工况下压力脉动幅值高于其他流量工况,叶轮直径变化会使叶片弯曲度发生改变,受动静干涉以及射流-尾迹的影响会出现脉动叠加现象,从而在叶片通过频率的倍频处(3fBPF或4fBPF)产生高幅值脉动;隔舌区域流动混合现象最为明显,且除D^2/D2=1(模型3)以外,隔舌位置处的压力脉动峰值均出现在叶片通过频率处。对于所选取的模型,除过隔舌区域监测点之外的其他监测点处压力脉动峰值处的脉动幅值随叶轮直径增大逐渐增大,且最大幅值波动达到23.8%。叶轮直径变化时射流-尾迹与动静干涉作用对离心泵内部压力脉动特性有重要影响。     

离心泵叶片出口边倾斜角对压力脉动的影响

为研究叶片出口边倾斜角对叶轮与蜗壳由动静干涉作用而引起压力脉动的影响,在保证叶轮基本参数和叶片安放角变化规律不变的情况下,通过改变叶片出口边倾斜角而设计了2种计算方案.采用SST湍流模型、SIMPLEC算法和滑移网格技术,分别对不同叶片出口边倾斜角的叶轮匹配同一蜗壳的离心泵进行全流道非稳态数值模拟,得到不同叶片出口边倾斜角的离心泵外特性及压力脉动特性,并对其进行分析.计算结果表明:随着叶片出口边倾斜角的减小,泵高效区加宽;在小流量工况至设计流量工况时模型1,2的扬程流量曲线接近,在设计流量工况至大流量工况时模型2的扬程增大;2种叶片出口边倾斜角的离心泵中监测点处的压力脉动规律相同,呈周期性变化;较小叶片出口边倾斜角的离心泵中蜗壳内及隔舌处的压力脉动波动幅度减小,高频脉动成分减小.分析结果可为离心泵叶轮的设计提供理论参考.     

导叶周向安装位置对离心泵叶轮径向力的影响

为研究导叶和环形蜗室周向相对位置对离心泵叶轮径向力的影响,以一配有导叶和环形蜗室的离心泵为研究对象,设计相对位置角α分别为0°,10°,20°和30°的4套计算方案.采用ANSYS CFX对泵内全流场进行非定常的数值模拟,并通过试验对数值计算结果进行验证.基于数值计算结果,分析了导叶和环形蜗室不同相对位置下泵能量性能和叶轮径向力的变化规律.结果表明:α的变化对泵能量性能有明显的影响,不同的α下,扬程的最大变化为1.95%,效率的最大变化为1.39%,且α=20°时,其能量特性最优;随着α的增大,径向力脉动的幅值先减小后增大,α=20°,其脉动幅值最小,为最大脉动幅值的80%;随着α的增大,径向力脉动的主频先增加后减小,主频和次频对应的脉动幅值则先减小后增加,α=20°时,主频和次频处的脉动幅值最小;α的改变会对径向力矢量的分布产生影响,当α=0°和30°时,其分布具有较强的规律性,且α=0°时,其分布更有利于离心泵的长期运行.     

叶顶间隙对斜流泵进口压力脉动影响的数值分析

由于叶顶间隙对斜流泵内外特性的影响甚大,因此在斜流泵设计时叶顶间隙的合理选取具有重要的工程意义.为了研究叶顶间隙大小对斜流泵进口压力脉动特性的影响,选取叶顶间隙分别为0,0.5,1.0,1.5 mm共4种设计方案的斜流泵为研究对象,基于SST k-ω湍流模型和LES大涡模拟方法,采用SIMPLEC算法与块结构化网格,在小流量工况下,对斜流泵内部流场进行三维非定常数值计算,并监测叶轮进口处压力脉动特性.计算结果表明:随着叶顶间隙的增大,斜流泵的扬程逐渐降低;叶顶间隙对斜流泵叶轮进口压力脉动的径向分布影响显著,叶轮进口主流区的压力脉动幅值较小,而近壁区压力脉动幅值较大;较大的叶顶间隙可以降低叶轮进口的压力脉动幅值,有利于改善模型斜流泵运行的稳定性.     

泵腔径向间隙对多级离心泵泵腔内部流场的影响

为研究泵腔径向间隙对泵腔内部流场的影响,更好地优化多级泵水力性能,选取某悬臂式多级离心泵为研究对象,应用计算流体力学(CFD)与试验相结合的方法对泵腔内部流场进行研究.k-ε湍流模型下的数值计算结果与多级泵外特性试验值吻合较好,说明应用数值计算对泵腔内部流场进行分析是可靠的.设计3种泵腔间隙方案,对比分析了泵腔内部切向速度分布及压力脉动情况.结果表明:随着测速点位置半径的减小,前泵腔切向速度逐渐增大,且液体旋转速度会超出叶轮旋转速度,而后泵腔中切向速度总体呈现逐渐减小的趋势;泵腔间隙区域及叶轮出口处压力脉动主要集中在0~1 680 Hz范围内,压力脉动主频均出现在1倍导叶叶频处,主频脉动幅值由首级向末级逐级递减;泵腔间隙区域压力脉动也受到叶轮叶片数的影响,次主频出现在1倍叶轮叶频处,且在其他叶频倍频处均发生压力脉动现象.     

叶顶间隙对低比转数半开式离心泵性能的影响

为研究叶顶间隙对低比转数半开式高速离心泵内部流动及性能的影响,基于雷诺时均Navier-Stokes方程和Spalart-Amaras湍流模型,在叶顶间隙分别为0.5,1.1和2.5 mm时对一台比转数为19.3的半开式高速离心泵内部流动进行三维紊流数值计算,并进行外特性试验验证.研究结果表明：叶顶间隙可以改善叶轮内部的流动情况,但较大间隙的叶轮内部的循环流动引起的水力损失大于较小间隙内的循环流动和回流引起的水力损失;因此随着叶顶间隙的增大,离心泵扬程及效率均减小;而且在叶片中部和尾部的叶顶间隙层内,相对速度和静压随着叶顶间隙的增大而减小,且相对速度受叶顶间隙的影响尤为明显,静压沿着叶轮半径近似呈线性增加;叶轮流道内沿轴向分布的切向速度和径向速度随着叶顶间隙的增大分别减小,但切向速度较为均匀,减小量相对较小;数值模拟与试验得到的外特性曲线变化趋势一致.     

超低比转数离心泵的内部流动及非定常特性

为全面地研究超低比转数离心泵的内部流动和非定常特性,以一台比转数n_s=25的超低比转数离心泵为研究对象,对其进行三维非定常数值计算,并与试验结果进行对比,进而对内部流场、叶轮上的径向力和蜗壳各断面的压力脉动进行分析.研究结果表明:在不同流量工况下,叶轮流道内存在数量不等、大小不一的旋涡;靠近隔舌的2个相邻流道内,在叶轮出口边工作面的位置存在高流速区域,随着流量的增大,此处高流速区域逐渐消失;在大流量工况下,低速区面积逐渐减小,旋涡区的范围和数量逐渐减少,叶轮内相对速度分布逐渐变均匀;叶轮上的径向力大小和方向时刻变化,呈现六角星型分布,径向力脉动的主要激励频率均为叶频及其整数倍频;蜗壳各断面内压力脉动峰值随着断面变化逐渐增大,蜗壳各断面内压力脉动的主要激励频率均为叶频及其整数倍频,说明叶轮出口与蜗壳的耦合作用是蜗壳内压力脉动的主要影响因素.研究结果可为超低比转数离心泵的水力优化设计和合理运行区间的选择提供一定参考.     

导叶与隔舌相对位置对离心泵非定常压力脉动影响的数值模拟

导叶叶片出口边与蜗壳隔舌的相对安放位置对单级离心泵水力性能影响较大,该问题在设计和安装过程中容易被忽略.为了研究时序效应对离心泵运行时非定常压力脉动的影响,首先通过试验测得离心泵外特性曲线,然后采用雷诺时均法对离心泵内部流场进行数值模拟,并将模拟结果与试验进行对比.结果表明,模拟值与试验值契合度较高.模拟结果显示时序效应对离心泵非定常压力脉动影响较大.当安放角度ψ为25°和41°时,叶轮及扩压器内部压力脉动较小,蜗壳内部压力脉动较大;当安放角度ψ为5°和59°时,蜗壳内部压力脉动较大,叶轮及导叶内部压力脉动较小.研究结果对导叶安装有一定借鉴价值.     

叶片开缝对单叶片泵径向力的影响

为了改善单叶片泵的运行特性,降低径向受力不均匀性,采用数值计算与试验相结合的方法分析了单叶片离心泵径向力的动态特性.研究了3个不同流量工况(0.6Q_d,1.0Q_d和1.4Q_d)下径向力的变化规律,结果表明,单叶片离心泵叶轮叶片工作面与背面所受压差是径向力产生的主要原因,并在小流量工况下径向力达到最值.通过对试验与数值模拟结果的分析对比,提出了平衡单叶片泵径向力的新方法-叶片开缝,并在叶片包角方向上选取3个不同位置(0°,90°和270°)布置宽度为1.0 mm的缝隙,分析了不同开缝位置对径向力及泵外特性的影响情况.结果表明:当在叶片尾缘开缝时,对泵的外特性影响较小,并可以较大降低单叶片离心泵叶片工作面和背面的压差,减小叶轮径向受力情况,提高单叶片泵的可靠性和使用寿命.     

叶片出口角对化工离心泵性能的影响

为了研究叶片出口角对化工离心泵性能的影响,以一台比转数为180的化工离心泵为研究对象,将叶片出口角从22°依次增大到27°,37°和47°. 应用ANSYS 14.5软件进行数值计算,结果表明:叶片出口角对外特性影响显著,适当增大叶片出口角可以提高扬程及效率,但也不宜过度增大到47°;随着叶片出口角的增大,叶轮进口的低压区域逐渐向叶轮出口方向扩大,压力分布趋于紊乱,且在工作面附近有逆压梯度存在,会聚集不稳定的低压流体;在额定工况下,叶片出口角小于37°时,压力脉动幅值较小,且高频脉动很小;次主频有随叶片出口角的增大向低频处转移的趋势;4个方案叶轮所受径向力都是在额定工况下达到最小,并在小流量下差异性最大;不同工况下叶片出口角为27°的叶轮所受径向力最小,这说明对非定常特性的影响,叶片出口角存在一个最优值.此外,针对叶片出口角为22°的模型进行了性能试验,对比发现数值计算的结果是可信的.     

导叶进口边相对位置对混流泵压力脉动的影响

以混流泵作为研究对象,探究导叶进口边的相对位置对混流泵水力性能及内部压力脉动的影响.基于ANSYS CFX软件并采用k-ω湍流模型进行了定常和非定常计算.通过改变导叶进口边的相对位置,利用数值模拟来预测混流泵的水力性能,并选取了4个方案,对混流泵的压力脉动进行了频谱分析.结果表明:随着叶轮出口边与导叶进口边的夹角α增大,混流泵的水力性能先增大后减小,在α=5°时,混流泵的水力性能达到最优.α的变化对泵内部的压力脉动幅值波动大小有影响,α越大,泵内部的压力脉动越小.α的变化会影响泵内部的压力脉动主频幅值.在叶轮进出口处,α越大,主频幅值越小,而在蜗壳内部,则无明显规律.随着α的增大,在蜗壳内靠近隔舌位置的压力脉动,受叶轮旋转作用的影响变小,受隔舌的影响作用变大.研究结果可为混流泵的导叶优化设计提供一定的参考.     

蜗壳断面面积变化规律对双吸离心泵水力性能的影响

针对某泵站S700-500-730型双吸离心泵运行时引发的断轴问题,采用CFD数值模拟方法,通过与蜗壳断面面积线性变化规律(以下简称L-规律)进行对比,分析了原型泵采用的蜗壳断面面积变化规律(以下简称Y-规律)对水力性能以及径向力的影响.结果表明:在定常工况下,2种规律的双吸离心泵在设计工况下水力性能相近,相较于L-规律方案,采用Y-规律设计的蜗壳作用在叶轮上的径向力增大高达24.77%;在非设计工况下,相较于L-规律方案,采用Y-规律设计的蜗壳水力性能更加优越,但是作用在叶轮上的径向力要高于采用L-规律方案时作用在叶轮上的径向力;在非定常工况下,Y-规律方案的脉动幅值以及高频脉动都要比采用L-规律方案设计时明显得多.蜗壳断面面积变化规律对作用在叶轮上的径向力影响显著.研究结果可为解决由于径向力过大导致断轴问题提供一定的理论依据.