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.     

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.     

口环间隙对高速泵泵腔内流动特征的影响

为分析泵腔内流场结构及口环间隙变化对高速泵在设计工况下性能的影响,基于雷诺时均N-S方程及RNG k-ε湍流模型的理论基础,以转速n=38 500 r/min的离心泵为研究对象,对其进行全流场数值模拟.结果表明,前后泵腔内u_t/u均随着半径的增加而减小;沿着叶轮旋转方向u_t/u也不断减小,在α=0°即蜗壳隔舌附近时u_t/u值最小.在前后泵腔内,靠近盖板的区域u_r/u0;靠近壳体的区域u_r/u0.前、后口环间隙分别对前、后腔流场结构的影响基本一致:在同一轴向位置处,随着口环间隙的增大,流动核心区的u_t/u增大,靠近壳体一侧的u_r/u减小;在同一半径位置,口环间隙越大,静压越小.     

口环间隙对诱导轮离心泵空化流动和性能的影响

为了研究口环间隙对前置诱导轮离心泵空化性能的影响,基于RNG k-ε湍流模型和Rayleigh-Plesset方程均相流空化模型,以前置诱导轮离心泵为研究对象,选取口环间隙为0.15,0.25,0.40和0.60 mm这4种方案对其进行空化流动数值计算,并与试验结果对比分析.研究结果表明,口环间隙大小对诱导轮离心泵的外特性和空化性能影响较大,随着口环间隙的增大,总扬程效率和叶轮扬程效率均减小,与口环间隙为0.15 mm时相比,总扬程效率和叶轮扬程效率分别降低了0.60%和4.21%,效率分别下降了6.50%和9.32%;而口环间隙的增大使得诱导轮扬程和效率均增加,分别增大了29.86%和28.40%.另外,随着口环间隙的增大,空化性能曲线出现波动现象,间隙越大,波动越明显;离心泵主叶轮工作面靠近前盖板出现云状空泡分布,空化不稳定,间隙越大,空化越不稳定,临界空化数越大.经分析,引起空化不稳定性的因素可能有: 口环间隙出口处泄漏高压流体对主流的冲击;口环附近空化的发生以及诱导轮空化引起叶片出口液流角的变化.     

叶轮前盖板与泵体轴向间隙对轴向力的影响

为了研究一种新型结构的离心泵叶轮前盖板与泵体轴向间隙对轴向力的影响,首先采用传统理论计算方法得到泵的轴向力,然后基于CFX软件,采用RNG k-ε湍流模型和高阶算法,对离心泵进行全流场数值模拟.通过改变叶轮前盖板与泵体轴向间隙方法,获得泵设计工况下的外特性、轴向间隙之间静压变化及转子部件轴向力,研究泵外特性、轴向力随叶轮前盖板与泵体轴向间隙的变化情况和变化规律.通过数值模拟计算研究表明:在设计工况下,随着离心泵叶轮前盖板与泵体间隙的增加,泵的扬程和效率逐渐减小;叶轮、背叶轮和副叶轮内的静压变化很小,叶轮前盖板与泵体轴向间隙内的静压变化明显;泵的轴向力先增大后减小.扬程数值模拟和试验结果误差为0.84%,轴向力理论计算和数值模拟的最大误差不超过5.75%,说明数值模拟的方法验证了用经验公式计算新型泵所受轴向力的准确性.     

陶瓷泵半开式叶轮前盖板流线对泵性能的影响

为了研究陶瓷泵半开式叶轮前盖板流线对泵性能的影响,对叶轮前盖板流线与径向夹角分别为24°,22°,20°,18°,16°,14°,12°共7种方案进行数值计算,得到了各方案的外特性及内部流动情况.通过分析叶轮中液体沿流线从叶轮进口到叶轮出口的平均静压、平均总压及平均相对速度的变化规律,以及从叶轮前盖板流入泵腔间隙与从叶轮外缘所流出的液体流量大小,得到主要结论:随着叶轮前盖板流线与径向夹角减小到一定程度,泵扬程、效率都将随之下降,最高效率点往小流量方向偏移;在叶轮流道中段流入泵腔间隙的液体变多,导致从叶轮外缘流入蜗壳的高能液体变少,加上与在蜗壳内高压驱使下回流入叶轮流道的流体,在流道出口处混合产生的回流及二次流动,是导致泵扬程、效率下降的主要原因.为了验证数值计算的准确性,试制了最优方案3和最差方案7的叶轮,进行外特性试验,并将试验结果与模拟结果对比,发现试验结果与数值计算结果吻合,从而完成了优化设计,可为陶瓷泵半开式叶轮的设计提供一定的参考.     

间隙回流角度对全贯流泵水力性能的影响

为了研究不同间隙回流角度对全贯流泵水力性能的影响。采用CFX软件对全贯流泵装置进行三维数值模拟,分析不同间隙回流角度下的全贯流泵内部流态和性能。首先,针对初始方案,设计2种间隙回流角度并进行数值模拟计算,再分析全贯流泵的内特性和外特性,最后通过模型试验测试验证数值模拟的可靠性。结果表明:主流靠近叶轮进口轮缘处受到间隙回流的影响,轴向速度减小,径向速度增大;间隙回流角度顺着叶轮内流场的方向,间隙回流出口的流量对叶轮进口处的流场影响较小;小流量工况下,叶轮室内流场不稳定,同时间隙回流对叶轮进口轮缘处产生的影响较大,因此避免水泵在小流量工况下运行。但是回流角度的变化会影响全贯流泵的轴功率,增大了圆盘间的摩擦扭矩,进而增加了轴功率,导致效率降低。研究对全贯流泵的优化具有重要的理论意义和指导意义。     

轮缘间隙对轴流泵内部非定常流场的影响

为研究轴流泵轮缘间隙泄漏流的非定常特征及其对泵外特性的影响,采用基于S-A模型的DES方法和滑移网格技术,对轴流泵在设计流量下的内部湍流进行了数值计算,重点分析了4组轮缘间隙下泵内非定常流场特性及压力脉动特性.在设计轮缘间隙下,计算所得泵扬程和效率与试验数据吻合良好,最大相对误差分别为2.0%和3.0%.计算结果表明:随轮缘间隙增大,水泵扬程和效率均呈下降趋势;轮缘泄漏涡强度和影响范围随轮缘间隙增大而增大,当轮缘间隙为3.3‰D₂时,轮缘泄漏涡扩散至相邻叶片出口边;不同轮缘间隙下,叶轮区压力脉动频率均以叶频为主;靠近叶片进口的叶轮室内壁压力脉动幅值随轮缘间隙的增大呈减小趋势,叶轮室中部压力脉动随轮缘间隙增大而增大;叶轮出口断面的压力脉动频域特性在不同轮缘间隙下均以1倍叶频为主,脉动幅值随轮缘间隙增大而减小.     

井用潜水泵级间间隙泄漏CFD分析与试验

鉴于级间间隙泄漏量试验难于测量的局限性,为了研究井用潜水泵泄漏量的变化对性能的影响,以200QJ80-22井用潜水泵为研究对象,首次应用CFD软件对不同的前口环间隙、后口环间隙以及级间间隙进行全流场数值计算,得到的结果与试验结果对比分析,并对级间间隙泄漏量经验公式估算值与数值计算值进行比较,分析泵在不同的间隙泄漏下对内部流场和外特性的影响,在级间间隙内和进出口区域布点监测其压力值,并进一步分析级间间隙压力变化对整泵性能的影响。结果表明:对不考虑所有密封环、只考虑前密封环泄漏和考虑前后密封环泄漏以及间隙泄漏在内的三种模型数值计算结果与试验结果对比分析,发现三种模型数值计算效率值与试验值误差分别为24.5%、12.9%和6.7%;而三种模型数值计算扬程值与试验扬程误差分别为25.9%、15.9%和9.3%。额定工况下经验公式估算的泄漏量与数值计算得到的间隙两端压差代入公式估算泄漏量,小间隙时较为接近,大间隙时相差较大,研究结果对级间间隙泄漏量的计算有一定的参考价值。     

基于正交试验的多级井用潜水泵叶轮出口与导叶进口参数匹配研究

为提高多级井用潜水泵的效率,同时保证泵的扬程,以200QJ50-65型5级井用潜水泵为例,按照L9(34)正交表,选取了叶轮出口边斜度、叶轮出口边与导叶进口边间隙、导叶进口边宽度3个因素,每个因素取3个水平,组合出9组方案。采用CFD数值模拟对多级井用潜水泵的前两级进行了全流场数值模拟,获得了9组方案在额定工况下的效率、扬程。通过正交试验法和极差分析得到了各因素对效率和扬程的影响规律以及各因素对泵效率、扬程影响的主次顺序,提出了多级井用潜水泵叶轮出口与导叶进口匹配的最佳方案。结果表明:优化方案在额定工况下相比原模型泵的效率提高了4.87%,单级扬程提高了2.8 m。通过内流场分析得到了优化后泵的水力性能提高的原因。     

动静转子间隙比对核主泵水力性能的影响

基于三维不可压缩流体的N-S方程和RNG k-ε湍流模型,运用试验和数值计算相结合的方法,对设计工况下不同动静转子间隙比Δδ的混流式核主泵水力模型的三维湍流流场进行数值计算,研究Δδ对模型泵水力性能及内部流场的影响.结果表明:在所取的间隙比范围内,设计流量工况下,随着Δδ的增大,泵的总扬程和效率先增大后减小;当Δδ=3.1时,泵的总扬程和效率都达到最大值;导叶和压水室内的水力损失受Δδ的影响较大,导叶内水力损失在Δδ=2.2时最大,压水室内水力损失在Δδ=5.8时最大,当Δδ在3.1~4.0时,在导叶和压水室内的水力损失均较小.叶轮出口和导叶进口的相对速度随Δδ的增大而相互趋近,从前盖板流线到后盖板流线相对速度基本呈单调递减,叶轮出口和导叶进口相对速度分布在Δδ=3.1时最合理.研究结果可用于分析混流式核主泵水力模型的内部流场特征,并为其高效水力模型的优化设计提供参考.     

轴流泵内部压力脉动数值预测及分析

基于RANS方程和RNG k-ε模型,采用Ansys-CFX软件对轴流泵泵段进行了多工况三维非定常数值模拟,得到了不同工况下轴流泵内部不同监测点的水流压力脉动值,分析了轴流泵内部不同监测点水流压力脉动的变化趋势,并预测了叶轮进口前由于叶轮转动引起的压力脉动影响范围.通过与实测扬程和效率比较,表明了数值模拟方法的可行性及可靠性.研究结果表明:轴流泵内部压力脉动频率主要受叶轮转动频率控制,较大压力脉动发生在叶轮进口前;叶轮进口处压力脉动从轮毂到轮缘逐渐增大,叶轮出口处压力脉动从轮毂到轮缘先减小后增大,导叶后压力脉动从轮毂到轮缘先增大后减小;小流量工况及大流量工况下压力脉动幅值较最优工况大;受叶轮转动影响,叶轮进口前压力脉动影响至叶轮中心前0.7D左右.     

不同叶顶间隙下斜流泵内部 流动特性的数值模拟

为研究轮缘叶顶间隙对斜流泵性能和流动不稳定特性的影响,基于SST k-ω湍流模型对某斜流泵选取了0, 0.25, 1.00, 2.00 mm 4种尺寸的叶顶间隙进行数值计算,分析间隙区域内压差分布、泄漏量、叶顶泄漏涡旋强度以及进口轴面速度分布.结果表明:不同运行工况下,斜流泵泄漏量从叶轮进口到叶轮出口先增大后减小,其与间隙区内压差变化趋势相吻合.叶顶泄漏量随着间隙尺寸的增大而增大,导致泵的能量损失增大.经对比发现,间隙尺寸是影响叶顶泄漏量的主要因素.小流量工况下,随着叶顶间隙尺寸的增大,叶顶泄漏流与主流卷吸作用形成的泄漏涡强度逐渐增强.部分泄漏流进入相邻叶片通道,导致其流动失稳.随着叶顶间隙的增大,斜流泵能量损失明显增多,且内流不稳定性明显加剧.增大流量后,不同间隙下叶顶泄漏涡旋转强度均逐渐降低.     

立式自吸泵环形喷射孔比面积对其性能的影响

为了研究环形引流喷射对立式自吸泵性能的影响,以350WFB-1200-50型立式自吸泵为研究对象,采用RNG k-ε湍流模型和Zwart空化模型对不同环形喷射孔比面积下的立式自吸泵进行全流场数值计算.结果表明:环形引流喷射可明显提升叶轮进口压力,能有效改善泵的空化性能;引流流量会使叶轮进口处速度增大,导致泵的必需空化余量NPSHR增大,使泵的空化性能有所恶化;两者的共同作用下,泵的空化性能呈先变好后变差的趋势;随着环形喷射孔比面积k的增大,压水室出口处的泄漏量增大,导致泵的容积损失增大;泄漏流使压水室出口处产生较多旋涡,且射流对叶轮进口流线产生排挤,对主流造成较大影响,使泵的扬程和效率呈下降趋势;当环形喷射孔比面积k=0.25时,泵的汽蚀余量最小,相比于原模型,泵汽蚀余量减小了23%,扬程下降了2.1%,效率下降了2.5%.研究结果可为立式自吸泵优化设计提供一定参考.     

平衡鼓间隙对多级泵后腔压力及轴向力的影响

为研究多级离心泵平衡鼓径向间隙尺寸变化对末级叶轮后泵腔压力及轴向力的影响,基于SST k-ω湍流模型,应用Fluent软件分别对节段式多级离心泵进行数值计算,分别模拟平衡鼓径向间隙为0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5 mm的6种设计工况下,平衡鼓径向间隙尺寸对多级泵效率及平衡鼓轴向平衡能力的影响.计算结果表明,随着平衡鼓间隙增大,末级叶轮后泵腔内流体压力沿径向逐渐增大,后盖板外壁面压力分布不均匀;末级叶轮后泵腔中心截面压力呈平衡鼓间隙越大,后泵腔压力取值整体减小趋势,其压力幅值呈先减小后增大的趋势;末级叶轮所受轴向力在间隙为0.3 mm时最小;多级泵的效率随着平衡鼓间隙泄漏量的增大而降低,当泄漏量q>0.887 kg/s,效率降低明显.     

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.     

叶轮外径对混流泵作透平性能的影响

为了研究混流泵作透平工况下,叶轮外径对性能的影响,以混流泵为模型,通过试验验证了CFD方法的有效性.基于BladeGen设计了160,170,180 mm这3种叶轮外径的混流泵水力模型, 并通过数值分析研究了3种叶轮外径下,混流泵作透平工况下的外特性,水力损失分布及内部流场分布.结果表明:随着叶轮外径的不断增大,混流泵作透平的高效点逐渐向大流量区域移动,高效点的扬程、轴功率及效率都随之增加;大流量区域内,扬程迅速降低,轴功率下降变缓,效率有所上升;总水力损失与叶轮部分的水力损失显著减少;蜗壳部分的水力损失变化不明显;叶轮入口处的旋涡区域逐渐减小,蜗壳出口与叶轮入口之间存在的间隙流体逐渐减小,从而引起该部分水力损失逐渐减小;压力分布更加均匀.     

级间间隙对新型井泵性能的影响

为了研究级间间隙对多级井泵性能及流场的影响,以采用叶轮极大直径设计法设计的QS-40-30-55新型井泵为例,应用Fluent软件对不同级间间隙下的模型泵进行了全流场数值模拟．分别从泵的外特性及内部流场分析了级间间隙对泵整机性能的影响,结果表明:在同一流量下,随着间隙的增大,泵的扬程与效率均降低,轴功率基本保持不变;导叶出口处的液体会沿着级间间隙回流,然后通过叶轮与导叶之间的空间流回到导叶中,使得导叶出口及下一级叶轮进口处的流动出现紊乱,增大了流动损失,从而使得泵的性能下降．通过样机试制及试验发现:泵的最高效率点偏向小流量,但也满足国家标准要求;在额定流量下采用两级全流场数值模拟,由于考虑了圆盘摩擦损失及级间间隙泄漏损失,其预测值与试验值相当接近,误差在1％以内,验证了数值模拟方法的正确性．研究结果对新型井泵的优化设计具有一定的参考价值．     

矿粒粒径对深海采矿扬矿泵磨损特性的影响

为研究矿粒粒径对深海采矿扬矿泵过流部件磨损特性的影响,采用DPM模型模拟泵内固液两相流动,并以基于流体动力学的Oka磨损模型仿真颗粒对过流部件的磨损,分析扬矿泵在不同矿粒粒径下的磨损规律.研究结果表明:随着矿粒粒径的增大,首级叶轮及次级叶轮的前后盖板磨损量分布逐渐均匀,前盖板磨损量的集中区域从出口压力面向叶轮中部及进口吸力面转移,后盖板磨损量集中分布区域从进口吸力面一侧向出口压力面一侧转移,叶片进口和出口的磨损面积均逐渐增大;首级空间导叶及次级空间导叶的叶片背面进口磨损面积逐渐增大,在轮毂出口处磨损区域向外逐渐偏移,且该位置磨损面积逐渐减小;当矿粒粒径从1.0 mm增大到5.0 mm时,首级叶轮和次级叶轮的前盖板最大磨损量分别上升132.9%和104.2%,首级叶轮和次级叶轮的叶片最大磨损量分别上升172.3%和142.5%,首级叶轮和次级叶轮的后盖板最大磨损量分别上升251.4%和102.3%,首级导叶和次级导叶的最大磨损量分别下降87.08%和74.26%.