AP1000化容补水泵性能模拟与关键参数试验研究

在已有高效水力模型的基础上,以离心泵水力设计为基础,通过Pro-E建立AP1000化容补水泵的三维模型。运用CFD技术对叶轮和三种导叶匹配的三组水力模型进行了不同工况下的内部流场流动分析,计算采用雷诺时均N-S方程和标准k-ε湍流模型,压力和速度耦合采用SIMPLEC算法。模拟结果较好地揭示了内部流场的特征,对内部流场的速度矢量分布与静压分布特征进行了研究。研究结果表明叶轮内各流道的流速随着液体从叶轮进口到出口方向逐渐增大,导叶内流速随着流动方向逐渐降低;叶轮内静压值随径向方向逐渐增加在导叶出口附近,液体的静压值达到最大。并对AP1000化容补水泵性能进行预测。将模拟结果与样机试验结果作分析对比,对比结果表明实测扬程和模拟扬程相差较小;实测效率比模拟值有一定的差距;实测轴功率比模拟轴功率稍大。综合分析,最终以方案3做为AP1000化容补水泵的实型水力设计方案。对优选出的最终产品水力模型方案,进行了一系列试验研究,试验结果表明： 叶片和盖板之间的轴向间隙对效率有较大影响,减小轴向间隙有利于效率的提高;叶片宽度增大,扬程和效率有所增大。     

叶片安放角变化规律对液力透平性能的影响

基于ANSYS Bladegen软件,针对不同叶片安放角变化规律分别设计3种前弯叶片液力透平专用叶轮。通过与试验结果对比,确定了合理的数值模拟方案,分别完成了3台透平全流场数值计算。分析了叶片安放角变化规律对透平外特性、压力分布和水力损失分布的影响。结果表明:最优工况时,3个叶轮的效率、压力分布和水力损失分布均相差不大。在非最优工况,安放角采用线性变化规律设计时,透平性能更好,效率曲线更平坦;叶轮出口处低压区域范围较其他2种方案大。水力损失分布显示在叶片进出口安放角及包角相同的情况下,安放角变化规律对蜗壳及尾水管内的流动影响不大,仅对叶轮内的流动产生较明显的影响,叶片安放角呈"S"形变化对透平性能的影响是负面的,线性分布规律相对较好。     

长短叶片对液力透平性能的影响

为了研究长短叶片对液力透平性能的影响,制作了液力透平样机,搭建了开式液力透平实验台,对有、无长短叶片的叶轮分别进行了数值和实验研究。研究结果表明,长短叶片的增加可以提高液力透平的效率,增加最高效率点的流量,降低液力透平的扬程。内部流场分析表明,长短叶片的增加,可以改善叶轮内部流场分布,减小叶轮内部漩涡的区域和强度,改善液力透平内部流动规律。对液力透平内部功率损失分布分析表明,液力透平内部的功率损失主要集中在叶轮内部,长短叶片的增加,改善了叶轮内部流动,减小了叶轮内部的功率损失。叶片数的增加加剧了叶轮和蜗壳之间的相互作用,因此蜗壳内部的功率损失有所增加。     

基于正交试验的高扬程混流泵优化设计

为了提高高扬程导叶式混流泵的扬程和效率,选择叶轮叶片进、出口安放角、包角和叶轮外径等4个因素,每个因素取4个水平,利用正交设计软件SPSS进行正交试验方案的设计,应用CFD软件ANSYS CFX对设计的16副叶轮进行三维数值模拟,利用极差分析的方法分析得到各因素对扬程和效率的影响程度,进而得到最优组合方案,最后对比分析原始模型与优化模型的内部流动情况,验证优选方案的可行性.结果表明:叶轮叶片出口安放角对扬程影响程度最大,叶片包角对效率影响程度最大.在设计流量下,兼顾扬程和效率所选出的最优方案扬程和效率均有所提高,泵段内水流流态较好,压力分布均匀,达到优化设计的目的.因此,基于正交试验的高扬程混流泵优化可行,优化方案的参数搭配能够有效地减小高扬程混流泵的水力损失,提高其水力性能,并改善其内部流动.     

叶片出口安放角对单叶片泵性能的影响

为改善单叶片泵的性能,采用数值模拟与外特性试验相结合的方法分析了叶片出口安放角对泵性能的影响.基于SIMPLEC算法和RNG k-ε湍流模型,通过ANSYS CFX软件求解三维N-S方程,对叶片出口安放角分别为10°,14°,18°,22°和26°的单叶片泵内部流场进行了数值分析,得到了泵的速度场、压力场,并获得了泵外特性及所受径向力,数值计算所得扬程与试验结果具有较好的一致性.结果表明单叶片泵扬程、功率、效率均随叶片出口安放角增大而提高,但叶片出口安放角增大到18°以后,由于叶轮内流动滑移加剧,变化不再显著;不同叶片出口安放角单叶片泵内流场整体分布相似,但叶片压力面前端脱流区随叶片出口安放角的增加而增大,压力面的相对速度随叶片出口安放角的增加而减小,隔舌处的流动随叶片出口安放角的增加而变得顺畅;叶轮及蜗壳所受径向力随叶片出口安放角的增加而增大,叶轮所受径向力在设计点工况附近最小,而蜗壳所受径向力随流量增加而减小.     

基于RBF神经网络和NSGA-Ⅱ算法的海水淡化高压泵多工况优化设计

为提高透平式能量回收一体机的水力性能,采用RBF神经网络、NSGA-Ⅱ遗传算法和数值模拟集成的设计方法,对高压泵进行多工况优化设计.以高压泵三工况点的加权平均效率为优化目标,设计工况点下的扬程为约束条件,结合Plackett-Burman筛选试验,将进口安放角、出口安放角、叶片出口宽度及叶片包角作为优化变量,采用最优拉丁超立方设计试验空间,基于Isight多学科优化平台,通过编写批处理命令集成CFturbo,ICEM,CFX等,搭建智能水力优化平台,实现高压泵的CFD自动预报.基于数值模拟结果,利用RBF神经网络建立目标函数与几何参数之间的非线性关系,并运用NSGA-Ⅱ算法对该模型寻优.研究结果表明:RBF神经网络模型能够准确预测高压泵效率以及扬程与设计变量之间的关系;优化后高压泵与初始方案相比,3个工况点加权平均效率提高了3.38%,在0.8Q_d,1.0Q_d和1.2Q_d工况下效率分别提高了2.21%,3.59%和4.23%;优化后叶轮在设计工况点附近轴功率略有减小;对比优化前后叶轮的流场分布,优化后的叶轮进口低速区减小,内部速度梯度分布更加均匀,流场得到明显改善,能量耗散减小.研究结果可为高压泵多工况水力优化设计提供一定理论依据.     

基于叶片包角和出口安放角对叶轮的改进设计

基于计算流体力学方法,对KQW250-400型离心泵全流场进行数值模拟.基于叶片设计理论,对叶轮进行改进设计,通过改变叶片包角Φ和叶片出口安放角β₂建立5个不同的叶轮模型,并数值计算获得5个模型泵相应的外特性曲线和内部流场分布,对比分析可知:叶片包角Φ=126°与叶片出口安放角β₂=24°的叶轮最优;设计流量为550 m³/h时,扬程计算值为53.49 m,效率计算值为87.66%.原始离心泵和带改进叶轮的离心泵外特性试验测试结果表明:当流量Q=551.381 m³/h时,测得原始扬程为49.10 m,效率为79.88%;流量Q=550.823 m³/h时,测得带改进叶轮的扬程为51.84 m,效率为85.65%.改进后设计工况点扬程提高了2.74 m,效率提高了5.77%,且改进后的离心泵效率整体高于改进前,离心泵的整体性能得到了提升.研究结果有利于提高建筑物用泵的经济效益,从而降低能耗.     

基于正交试验的深井泵优化设计

以深井泵叶片数、出口安放角、出口宽度等7个因素,每个因素取3个水平,按L18(37)正交试验方案,设计了18副叶轮.通过CFD技术对叶轮、导叶在内的两级深井泵的全流场进行了设计工况下的三维数值模拟,获得了18组设计方案的效率、扬程值.通过正交试验法探索了各几何参数对效率、扬程的影响规律,并通过极差分析找到了影响这些性能的主要因素和次要因素,根据优选结果结合内部流场测试及样机试验验证对模型泵提出了进一步优化设计方案.本试验结果对采用叶轮极大扬程设计法的深井泵水力设计具有一定的参考价值.     

前弯型叶片液力透平的数值计算

为研究具有前弯型叶片液力透平的性能,设计了3种不同比转数具有前弯型叶片液力透平.采用全流场和结构化网格技术对液力透平内部流动进行数值计算,分析了具有前弯型叶片液力透平在不同流量下的外特性、压力场和速度场,得到了液力透平叶轮和尾水管内部流场随流量变化规律.研究结果表明:透平内部压力场从蜗壳进口经叶轮到尾水管出口压力逐渐减小,随流量的增大,液力透平的进出口压差逐渐增大;在前弯型叶片工作面存在旋涡区域,旋涡位置和区域大小随着流量的变化而变化;在尾水管横截面上存在随流量而变化的圆周速度分量;叶轮内部的水力损失是前弯型叶片液力透平内部的主要的水力损失,在3种液力透平中都占总水力损失的60%以上,并随比转数增大而逐渐增大.因此,前弯型叶片液力透平的优化设计应主要集中在叶轮研究.     

前弯叶片液力透平专用叶轮设计与实验

应用蜗壳内速度矩守恒的假设,推导了螺旋形蜗壳常数的计算表达式,得到了叶轮进口处的速度矩。采用无撞击进口、法向出口的液流工况,确定了叶轮的进出口安放角,设计了一前弯型叶片液力透平专用叶轮。设计了叶轮模型,进行了外特性实验。结果表明:对比原型泵作透平的实验结果,新设计的前弯型叶片液力透平专用叶轮显著提高了透平效率,最高效率由原来的59.98%提高到67.91%,最高效率提高了13.22%。采用专用叶轮的效率曲线较原型泵作透平的效率曲线平坦,在0.9~1.2倍最优工况运行区间,效率变化值在1.5%以内,高效区较宽。     

导叶对液力透平性能影响的数值分析

为研究导叶对液力透平运行性能的影响,采用CFD软件对无导叶和导叶数为7,9,11的4种液力透平进行数值模拟,分析了有、无导叶及不同导叶数对透平运行稳定性的影响,得到透平运行的外特性曲线. 结果表明,添加导叶可以提高液力透平的效率且效率随导叶片数增多而提高,较无导叶时透平最高效率点的流量增加、压头降低. 内流场分析表明,添加导叶后叶轮流道内的速度分布得到明显改善,其内部区域的旋涡数量减少、旋涡尺寸明显变小;压力分布均匀、梯度较为明显,且随导叶数的增加叶轮的进口静压逐渐增大. 叶轮进口速度矩分析表明,速度矩在有导叶时变化幅度变小,在叶轮进口环面上变化较平稳且分布对称,导叶数为11时其变化幅度值最小. 研究结果表明,透平添加导叶改善了叶轮的入流条件,提高了液力透平运行的稳定性能.     

蜗壳结构对液力透平径向力的影响

为研究蜗壳结构对液力透平径向力的影响,以某化工厂XWT 500-18型液力透平为研究对象,采用SST k-ω湍流模型和边界层网格,对单蜗壳、双蜗壳匹配同一叶轮的液力透平进行内部流场数值模拟.根据数值计算结果对比分析2种不同蜗壳结构液力透平的外特性、压力分布、径向力特性.结果表明,在全工况内,单、双蜗壳透平的水头、轴功率接近,双蜗壳结构并无性能优势;双蜗壳结构由于隔板的存在使得叶轮进口附近的静压分布不如单蜗壳的均匀;在最优工况点下,单蜗壳透平的径向力最小,约为双蜗壳的一半,双蜗壳液力透平的径向力水平大于单蜗壳液力透平,双蜗壳液力透平径向力平衡较差;单、双蜗壳液力透平径向力方向与隔舌夹角在小流量下变化较大,在大流量下变化较小.分析结果可对液力透平径向力的认识和蜗壳设计提供参考.     

Numerical simulation of cavitation turbulence in Francis turbine runner with splitter blades

Cavitation will reduce the turbine performance and even damage the turbine components. To verify the effects of splitter blades on improving the cavitation performance,the cavitation flow inside a Francis turbine runner with splitter blades was numerically simulated by using the Singhal cavitation model and the standard k-εturbulence model. The distributions of static pressure and gas volume fractions on the surface of the runner blades were predicated under different conditions,and the cavitation in the flow field of the runner was analyzed. The results show that the static pressure and gas volume fractions are more uniformly distributed on the short blades than those on the long blades in Francis turbines with splitter blades,and there is almost no cavitation on the short blades; their distributions are more uniform under small flow conditions than those under large flow conditions; and large gas volume fractions are concentrated at the outlet tip near the band on the suction side of the long blade. The installation of splitter blades can improve the cavitation performance of conventional Francis turbines.     

工质黏度对导叶式液力透平压力脉动特性的影响

为探究液力透平内压力脉动受工质黏性的影响,基于雷诺时均N-S方程和标准k-ε湍流模型,以带导叶的离心泵反转作液力透平为研究对象,选取清水及2种黏油作为对比工质进行三维瞬态数值模拟,并对模拟结果进行时域及频域分析.结果表明:清水工质下叶轮部分流道内存在和叶轮同向的非定常涡,而黏油工质下叶轮及尾水管内流场结构显著改善,黏性作用下,动静叶栅的相干作用仍是透平内压力脉动的主因.导叶内的平均压力脉动最强,叶轮内次之,尾水管内相对最弱,且此规律不受工质黏度影响.随着工质黏度的增大,各监测点的压力脉动峰峰值及最大压力脉动幅值均减小,且与导叶、尾水管内各测点主频及次主频幅值的变化趋势均同步,而与蜗壳、叶轮内各测点主频及次主频幅值的变化趋势差异较大,但与二者之和趋势吻合.同时,工质黏度越大,蜗壳、导叶和叶轮内各测点的时均静压越低.     

不同比转数离心泵作透平研究

为了研究不同比转数离心泵用作透平时的差别,应用数值计算的方法对不同比转数的泵进行了研究,分析了泵作透平的效率与泵效率之间的关系,以及泵作透平时的流量、扬程换算系数随比转数变化的规律,并对不同比转数的泵内部功率损失分布进行了研究.研究结果表明:泵作透平的效率通常不高于泵的效率;泵在透平工况下的流量和扬程比泵工况的流量和扬程大,泵用作透平运行时的流量、扬程换算系数随比转数的增加而逐渐减小;功率损失分布分析表明,叶轮内部的功率损失是泵作透平内部主要的功率损失,并随比转数的增大而逐渐增大,因此对泵作透平的优化设计应当集中在对叶轮的研究.     

叶轮外径对离心泵内流影响的CFD分析

采用FLUENT,在双参考坐标系下,利用有限体积法对雷诺时均Navier-Stokes方程进行数值离散,选用标准k-ε湍流模型,SIMPLEC方法求解,对6台离心泵在不同叶轮外径下的内部流场进行了叶轮和蜗壳的耦合数值模拟.根据数值模拟结果对6台离心泵的能量性能进行了预测,并分析了叶轮外径变化对泵内部流场的影响.性能预测结果与切割定律计算结果的对比表明,随着叶轮外径的变化,泵扬程和轴功率的变化基本符合切割定律,但效率存在一定的波动.内部流场分析表明,叶轮外径变化对叶轮进口静压和总压分布的影响较小,对叶轮出口和蜗壳内静压及总压分布有着明显的影响;叶轮外径变化还对泵内尤其是蜗壳割舌附近的绝对速度分布有较大影响;当叶轮切割量大于4%后,蜗壳扩散段的流动分离现象就会逐渐消失.     

海上平台立式长轴消防泵转子静力学特性分析

为了研究立式长轴消防泵转子的静力学特性,以XBC18-178-240LC3型号的立式长轴消防泵为研究对象.首先根据设计参数通过Creo建立了立式长轴消防泵内部流场的三维模型以及转子的物理模型,采用CFX对该泵在0.20Q_d,0.65Q_d,1.00Q_d,1.20Q_d,1.40Q_d和1.50Q_d这6种工况下进行三级泵内流场的定常数值模拟;然后把物理模型导入ANSYS Workbench中,并根据实际运行过程设置约束条件,根据模块耦合功能,将流场的模拟结果导入固体结构实现单向流固耦合,对转子模型进行了带预应力的静力学特性分析.结果表明:叶轮内部受到的流体载荷随叶轮级数增加而增大,随流量增加而减小;转子总变形量的最大值位于第三级叶轮后盖板的边缘处,等效应力与等效应变的最大值位于第三级叶轮后盖板边缘与叶片出口边的交点上,都随流量增加而减小;在0.20Q_d,0.65Q_d,1.00Q_d和1.50Q_d这4种工况下转子的最大等效应力为118.23 MPa,小于其许用应力250 MPa,符合强度要求;该泵的工作转速1 485 r/min小于其0.85倍的一阶临界转速,符合动力学设计要求.因此,在满足安全运行的工况下,XBC18-178-240LC3型号的立式长轴消防泵满足设计要求和使用要求.     

进水方式对卷盘式喷灌机水涡轮水力性能影响的数值模拟

为揭示卷盘式喷灌机切击式与蜗壳式水涡轮的内部流态特征与水力性能差异,在叶轮与出水管道相同的情况下,采用基于SST k-ω模型的数值模拟方法,对2种进水方式的水涡轮内部流动进行计算分析,并将切击式水涡轮外特性预测结果与试验数据进行对比验证.结果表明:切击式水涡轮叶轮流道内存在大尺度回流旋涡和强烈的叶片侧端间隙泄漏流动,蜗壳式水涡轮叶轮内部压力与流线分布相对均匀,叶片侧端间隙泄漏流动沿周向无显著差异;不同流量下,切击式水涡轮各主要过流部件的水力损失占比基本保持恒定,叶轮内水力损失约占总水力损失的55%,蜗壳式水涡轮各部件水力损失的占比随流量发生变化;2种进水方式的水涡轮外特性曲线变化趋势基本相同,相同工况下蜗壳式水涡轮的效率相比切击式水涡轮效率高18%~22%,两者最高效率分别为35.6%和59.6%.研究结果可为卷盘式喷灌机水涡轮水力设计及结构改进提供一定依据.