双向潜水贯流泵装置性能试验与数值分析

该文针对城市防洪排涝泵站的特点,研发了2套双向潜水贯流泵装置,并采用CFD(computational fluid dynamics)技术计算了双向潜水贯流泵装置的内流场,分析了灯泡体段对泵装置正反向运行的影响,包括灯泡体段的水力损失、导叶体内部的流态及"S"形叶轮的水力性能,并经试验验证分析了数值计算结果的有效性。计算结果表明,反向运行时导叶体内部流态较好,反向运行工况优于正向运行;正向运行工况流量为4和5m3/s时,导叶体内均出现涡旋;灯泡体支撑件对"S"形叶轮的水力性能影响极小,但对泵装置水力性能影响较大;正向工况时"S"形叶轮所受轴向力小于反向工况。通过泵装置模型性能试验比较了2套泵装置的综合水力特性指标,并给出了供参考的潜水贯流泵装置的结构尺寸,其中导叶体扩散角为3°,灯泡体长度为2.43D、灯泡体直径为0.46D、泵装置总长为13.45D(D为叶轮名义直径),灯泡体采用流线型尾部及5片支撑件。     

潜水贯流泵装置过流部件水力性能分析与优化

为研究潜水贯流泵装置过流部件的水力性能,该文采用CFD方法对潜水贯流泵装置进行数值计算,分析了不同过流部件形式对泵装置内水力性能的影响,并对计算结果进行试验验证。结果表明:潜水贯流泵装置灯泡体支撑片的数量会影响导叶与支撑片之间的水流流态,支撑片的数量应与导叶片数一致。潜水贯流泵装置宜采用椭球体的灯泡体尾部形式,能避免回流、脱流等不良流态的产生。采用流线形进线孔,并且将进线孔与支撑片结合在一起,能改善出水灯泡体的流态,提高装置效率。在闸门槽间的进水流道过渡形式宜采用渐缩方管式。优化后泵装置在最优工况点的效率提高2.5%,达到78.0%。在最高效率点,数值计算预测扬程和流量的不确定度均小于1%,试验与数值计算结果吻合较好。该研究可为潜水贯流泵装置在实际工程中推广应用提供参考。     

竖井与轴伸贯流泵装置水力特性比较

为比较竖井与轴伸贯流泵装置的水力特性,借助大型商用CFD软件在水泵水力模型、导叶以及流道总长度保持不变的情况下,对竖井和轴伸贯流泵装置进行了数值仿真模拟计算,并对竖井式贯流泵装置外特性进行了试验验证,试验结果表明设计工况点扬程和效率的模拟结果和试验误差在1%以内,非设计工况误差偏大。计算结果表明:进水流道水力损失较小但是能够影响着水泵性能的发挥,竖井与轴伸进水流道出口的面积加权均匀度分别为92.8%、95.2%,1.25倍设计流量工况下,叶轮的效率在竖井内比在轴伸贯流泵装置内效率最多低1.3%。出水流道的水力损失较大并影响着泵装置的性能曲线,轴伸与竖井出水流道水力损失最大值出现在0.59倍设计流量工况点,此时轴伸出水流道内水力损失值为0.459 m,竖井直管出水流道内水力损失值为0.741 m,轴伸贯流泵装置效率比竖井高了3.5%。算例中扬程以1.27 m为分界线,扬程低时竖井贯流泵装置整体性能较好,扬程高时轴伸贯流泵装置性能较好。该研究可为低扬程泵站的选型提供参考。     

南水北调工程邳州站竖井贯流泵装置进出水流态分析

为揭示竖井贯流泵装置内、外特性之间的联系,完善其优化水力设计理论,该文采用三维流动数值计算的方法,对南水北调东线一期工程邳州站泵装置流道表面的流场和垂直于x、y、z3个方向剖面的流场进行了多视角的详尽剖析,并分别采用透明流道模型试验和透明泵装置模型试验的方法检验了流态数值模拟结果。由数值计算和模型试验结果可得:前置竖井贯流泵装置进水流道内的流态均匀平顺、层次分明;出水流道内的水流在螺旋状运动中平缓扩散,流道内无任何脱流或旋涡等不良流态;其水力性能优异的主要原因在于其具有优异的内特性。邳州站前置竖井贯流泵装置主要工况点的泵装置效率超过83%、临界空化余量小于5m,水力性能优异。该文可为低扬程泵站的水力设计提供有益参考。     

不同导叶叶片掠角下轴流泵段水力特性分析及试验

考虑到轴流泵叶轮出口导叶进口区域水流复杂,该文在常规设计导叶基础上通过改变导叶叶片前掠和后掠的角度,期望导叶能够尽可能的回收叶轮出口的速度环量,提高轴流泵段的效率。该文采用计算流体动力学软件研究后置导叶在不同的扫掠角度下对轴流泵段水力性能的影响。以常规设计导叶为基础,一共研究计算了6种不同导叶扫掠方案,每种导叶扫掠方案又计算了8个不同流量工况点。根据数值模拟结果,分析了不同导叶扫掠角度对轴流泵段能量特性的影响,对导叶和出水弯管的水力损失进行了定量计算。最后对前掠16°导叶进行了泵段能量性能试验,并结合数值模拟对该文主要结论进行验证分析。研究结果表明:导叶扫掠角度对轴流泵段性能影响主要体现在小流量工况,且导叶叶片前掠效果比后掠好;导叶叶片前掠16°时,整流效果最好,导叶损失和出水弯管损失最小,效率最高;试验数据与数值模拟结果各点误差在3%以内,验证了数值模拟结果的可靠性、准确性。研究结果不仅有助于导叶水力性能的优化设计,同时对提高泵段的效率提供了参考。     

轴流泵装置导叶出口水流速度环量对出水流道水力损失的影响

为了定量研究大型泵装置导叶出口水流的速度环量对出水流道水力性能的影响,提出了泵装置导叶出口断面水流的速度环量定量表示方法和平均角速度的测量方法,分别采用数值计算和模型试验的方法研究了导叶出口水流的剩余环量对虹吸式出水流道和直管式出水流道水力损失的影响。结果表明:导叶出口水流的环量对出水流道水力损失的影响较为明显,存在使出水流道水力损失最小的最优环量,虹吸式和直管式出水流道的最优环量分别为0.972和1.308 m2/s;虹吸式出水流道和直管式出水流道最优环量时的水力损失计算值较零环量时的水力损失计算值分别小0.126和0.180 m。研究结果不仅有助于改进低扬程泵装置出水流道的优化水力设计,同时对改进轴流泵导叶的优化水力设计也有重要意义。     

S形下卧式轴伸贯流泵装置的振动特性分析

为分析S形下卧式轴伸贯流泵装置的振动特性,该文通过物理模型试验,研究了5个叶片安放角时S形下卧式轴伸贯流泵装置的能量性能,在导叶体进口处布置2个振动测点,采用EN900数据采集分析仪和振动速度传感器VS-080对叶片安放角为+4°与4°时各工况的泵装置模型进行振动测试和分析。测试结果表明:在叶片安放角2°时,S形下卧式轴伸贯流泵装置的最高效率达83.55%,此时流量为289.28L/s,装置扬程为4.438m。在相同叶片安放角时,泵装置在径向的振幅峰峰值Ap-p高于铅垂方向。随泵装置扬程的增大,径向振幅峰峰值呈先减小后增大的趋势,泵装置的不平衡振动频率与转频成倍数函数关系。在扬程相同时,在叶片安放角为+4°时泵装置在径向的振幅峰峰值较大,不同叶片安放角时泵装置铅垂方向的振幅峰峰值差异性较小。研究结果可为该泵装置的安全稳定运行及同类型泵装置的振动分析提供参考。     

前置导叶调节混流泵性能的数值模拟

利用有限元分析软件数值求解不同工况下混流泵的内部流场,了解前置导叶调节工况的基本规律,以改善混流泵在非设计工况运行时的水力性能。在叶轮叶片进口部位读取液流流入叶轮时绝对液流角、相对液流角、和绝对速度圆周分量的值,分析其随前置导叶安放角改变而变化的规律。结果表明,叶轮进口绝对液流角小于前置导叶安放角,流量越小相差的幅度越大;大流量工况下进口预旋调节的效果比小流量工况更为明显;在一定流量范围内,通过进口导叶调节使得叶轮进口液流满足无冲击进口或者较小冲角进口条件,可有效地改善混流泵在非设计工况的水力性能。     

前置导叶对畜禽舍轴流风机性能的影响

畜禽养殖过滤除臭装置对传统轴流风机负压抽吸能力提出了更高的要求。为提高传统轴流风机的气动性能，扩大其有效工作区间，该研究以550型农用轴流风机为对象，结合试验和数值模拟研究了前置导叶对轴流风机性能的影响。通过单因素和响应面分析方法，对前置导叶的导叶安装角（α）、轴向间距（L）、导叶个数（n）对风机性能和流场的影响进行研究，分析各因素对风机性能的影响，求解出最佳参数组合。通过3D打印制作前置导叶并进行样机试验。结果表明，增设前置导叶后，风机内部区域涡流得到削弱，降低了流动损失，静压效率提高，流动剧烈程度降低，流场更稳定，叶片静压差增大，风机叶片的做功能力增强，与传统结构相比，增设前置导叶后风机通风量和能效比均明显提升，通风量提升幅度在5.7%～10.39%，能效比提升幅度在6.62%～10.89%；在静压50 Pa下，通风量提升6.76%，能效比提升7.75%。研究结果证明了增设前置导叶提升轴流风机负压抽吸能力的可行性。     

潜水磨碎泵磨碎装置的优化设计与试验

为了提高无堵塞磨碎泵的水力性能及改善磨碎效果,在分析影响无阻塞潜水磨碎泵水力性能和磨碎效果的主要几何因素的基础上建立无阻塞潜水磨碎泵的优化方案,结合无堵塞潜水磨碎泵的使用特点,通过数值模拟软件ANSYS-CFX对无阻塞潜水磨碎泵优化方案进行模拟计算及改进,并通过样机试验对CFD模拟结果进行试验验证,结果表明:磨碎泵动刀盘刀头数目是影响泵水力性能的最主要因素,在保证磨碎效果的前提下,应尽量选用较少的刀头数目;动静刀盘间隙对泵外特性的影响是仅次于动刀盘刀头数目,随着间隙的减小,磨碎泵的水力性能下降明显,但磨碎泵的无过载性能有所提升。经综合分析,GSP-22型磨碎泵动刀盘刀头数目为2和动静刀盘间隙为1.5 mm时最优,同时兼顾了磨碎泵的水力性能和磨碎效果,为磨碎泵的优化设计提供参考指导。     

半高导叶端面间隙对离心泵水力性能影响的数值模拟与验证

离心泵中存在各种间隙,其间隙流动极其复杂,易出现泄漏流、间隙涡等复杂湍流,影响离心泵的水力性能及运行稳定性.该文结合数值模拟与试验方法,采用SSTk–ω湍流模型,研究半高导叶端面间隙对离心泵水力性能及内部流场的影响规律,重点探讨半高导叶端面间隙对离心泵水力性能的影响机理.结果表明,适当的半高导叶端面间隙能有效改善离心泵水力性能,拓宽其高效区,导叶叶高为1.0时,最高效率点流量37.5m3/h处,而导叶叶高为0~0.8时,其最高效率点流量42.5m3/h处;导叶端面间隙为0.4~0.6导叶叶高时,离心泵的效率与扬程最优,且最大效率为57.5%;在0.6倍设计工况、0.8倍设计工况和1.0倍设计工况时,带半高导叶端面间隙的离心泵中叶轮做功和导叶内总压损失均高于普通导叶式离心泵,在0.6倍设计工况,导叶叶高为1.0时叶轮做功比导叶叶高为0~0.8时叶轮做功低将近7m水头,且在0.6倍设计工况和0.8倍设计工况下,导叶叶高为0时导叶内总压损失平均值比导叶叶高为1.0时分别高6.66m、4.62m水头;在1.2倍设计工况和1.4倍设计工况时,其叶轮做功和导叶内总压损失均低于普通导叶式离心泵;在各流量工况下,带导叶端面间隙的离心泵中蜗壳内总压损失均小于普通导叶式离心泵;随着流量增加,带半高导叶端面间隙的离心泵中叶轮-导叶动静干涉作用在逐渐减弱,叶轮-蜗壳动静干涉作用逐渐凸显.研究结果为离心泵导叶优化设计提供参考.     

叶片尾部形状对双向贯流式水轮机性能的影响

为了研究双向贯流式水轮机反向工况效率低下的问题,该文以某带有后置导叶的双向贯流式机组为对象,针对不同形状和不同厚度的叶片尾部,分析了反向工况下叶片尾部对机组性能的影响。采用UG建模软件对机组进行几何建模,基于CFX软件,采用SST k-ω湍流模型对不同形状和厚度的叶片尾部的转轮进行了数值模拟。结果表明:反向工况下采用圆形尾部的叶片其机组效率为59.55%,高于矩形尾部的58.4%和弧形尾部的58.01%,说明反向工况下矩形尾部和弧形尾部的冲击损失较大。增加叶片尾部厚度对机组反向工况的效率提高较为明显,其效率最高能抬高到79%,但叶片尾部厚度增加到一定程度后效率不再增加,叶片尾部厚度的增加使得反向工况下叶片尾部最低压力值降低了1.2×106 Pa,对其反向工况下的空化性能有较大影响,且增加了正向工况运行是出现卡门涡的概率。研究成果为双向贯流式水轮机反向工况下叶片尾部形状的优化设计提供了经验参考。     

降速方式对混流泵压力脉动特性的影响

混流泵在降速过程中的内部流动特性变化对其性能和稳定性有重要影响。针对这一问题,该研究探究了混流泵在降速过程中内部流动的复杂性,尤其关注不同降速方式对泵内压力脉动特性的影响。通过构建多通道测试系统,收集了混流泵在不同降速方式下的外特性参数信号和泵内压力脉动信号。并采用非稳态信号处理技术,从时域、频域和时频三方面探究不同降速方式对叶轮出口和导叶内部的压力脉动特性的影响以及二者之间的相关性。结果表明,泵内压力脉动的峰值和样本熵的变化趋势与不同降速方式的幂指数呈正相关关系;在整个降速过程中叶轮出口压力脉动对导叶内压力脉动起主导作用;叶轮出口和导叶内部压力脉动之间的相干频率主要集中于80~120 Hz之间;在不同降速过程中叶轮出口和导叶内部的压力脉动之间强相关区域的频带范围保持不变,但是强相关区域在整个降速过程频带范围中的占比有所变化;对于具有固定初始转速和目标转速的降速过程,降速方式的改变不会影响叶轮出口和导叶内压力脉动的相干频率。研究结论可为揭示混流泵瞬态运行特性及提高混流泵降速运行中的稳定性提供参考。     

导叶式混流泵多工况内部流场的PIV测量

为研究不同流量工况下混流泵内部流动特性,该文基于粒子图像测速技术(particle image velocimetry)对0.8、1.0、1.2倍流量工况下混流泵的内部流场进行试验研究,测量获得了混流泵叶轮进口轴截面、叶轮与导叶间隙和导叶内部流场的速度场分布,分析了流量变化对混流泵内部流动的影响。研究结果表明,外特性试验重复性较好,试验结果较为可靠。3个工况下混流泵叶轮进口流场的速度分布趋势基本一致,进口的来流基本沿着轴线方向;随着流量增加,叶轮进口速度不断增大,最大速度达到7.49 m/s,从轮毂到轮缘高速区域速度梯度更为明显,速度等值线分布逐渐形成以左上角为圆心,不断向周围递减的趋势。受动静干涉作用影响,叶轮与导叶间隙流场速度分布较为紊乱,在导叶进口边轮毂附近形成逆时针方向旋涡,诱使叶轮出口流体向外缘侧偏转;随着流量增加,逆向旋涡明显减小,内部流动更趋于平稳。动静干涉效应进一步影响导叶进口流场并形成明显的旋涡结构,造成流道堵塞;在导叶出口由于环形蜗室的影响形成大尺度旋涡结构;随着流量增大,导叶外缘高速区向下游移动,导叶进出口的旋涡结构逐渐消失,流动损失减小。研究成果为揭示混流泵内部流动特性和优化混流泵设计提供参考。     

轴流泵多工况优化设计及效果分析

为了提高轴流泵非设计工况的运行效率,拓宽轴流泵高效区范围,对轴流泵进行多工况优化设计。结合轴流泵段的模型试验,采用数值模拟手段和数值优化技术,改变叶轮的几何设计参数。对轴流泵叶片进行参数化建模,再对轴流泵叶轮结果进行泵段数值模拟。最后以轴流泵段3个流量工况点的加权平均效率最高,扬程为约束条件,改变轴流泵叶轮的设计参数,对轴流泵段进行多工况优化设计。研究结果表明:优化后轴流泵段效率曲线较初始泵段明显变宽,其中小流量工况点效率提高约2.6%,设计工况点效率提高约0.5%,大流量工况点效率提高最多,约7.4%,而对于扬程变化范围较小,各工况点扬程均能满足运行要求,大大降低了运行成本,缩短了优化设计的周期。同时采用CFD计算的学科分析方式,结合试验研究的手段取代人工凭经验的优化方式,证实了轴流泵段多工况优化设计的可靠性、高效性。该研究将为泵站的高效运行和轴流泵的多工况优化设计提供参考。     

叶片安放角对轴流泵马鞍区运行特性的影响

为分析叶片安放角对轴流泵马鞍区工况运行特性的影响,以比转速822的轴流泵为研究模型,试验测试了不同叶片安放角下的运行特性。研究表明:随着叶片安放角的增大,模型泵最优工况处的扬程、流量和效率均逐渐增大,-4°到+4°的增幅分别为10.4%,26.7%和0.87%;不同安放角下,泵扬程曲线均存在明显的马鞍区;随着叶片安放角的增大,试验泵马鞍区的绝对位置向右上方偏移,但相对位置仍主要位于0.5QBEP~0.6QBEP(QBEP为最高效率点对应的额定流量),且均在0.55QBEP时扬程达到最小值;随着叶片安放角的减小,马鞍区内相对扬程在逐渐增大,马鞍区驼峰特性有所改善;随着叶片安放角的增大,各个安放角下马鞍区范围内的压力脉动较最优工况下更剧烈;叶轮进口压力脉动主频为叶片通过频率,泵出口处压力脉动主要受导叶影响,随流量减小逐渐向高频移动;随着叶片安放角的增大,叶轮进口和泵出口处主频处的压力脉动幅值均逐渐增大,在叶轮进口处,0.6QBEP和0.55QBEP时压力脉动幅值最大增幅分别达1.78和1.65倍,在泵出口处,正安放角下压力脉动幅值相对负角度有所增大;内流分析表明小流量工况下叶轮进口存在回流现象,叶轮出口靠近轮毂处有明显旋涡,导致小流量下压力脉动幅值增大。