离心式泥泵过流部件的磨损特性

基于固液两相流理论,应用欧拉-拉格朗日法模拟了离心式泥泵不同流量及泥沙浓度下的定常固液两相流场,应用FINNIE预估模型进行了磨损特性计算,着重研究了泥泵叶轮、压水室表面的磨损规律.研究结果表明,随着泥沙浓度增大,泥泵的叶轮、压水室表面的磨损率相对值相应增大;压水室表面的磨损率相对值在小流量的值较高;叶轮的磨损率相对值的最大值出现在小流量区域;压水室表面的磨损率相对值比叶轮表面要高;泥泵在高效区运行,泥泵过流部件的磨损率相对值较低.     

火电机组脱硫泵的设计及其磨损

根据两相流的理论设计方法对火电机组所用脱硫泵的叶轮直径、叶轮出口宽度、叶片进出口安放角和压水室等几何参数进行优化设计,适当增大叶片出口宽度和涡室排出口直径、并减小叶片出口安放角以减小磨损,提高泵的效率和水力性能.基于Pro/E软件建立泵的三维全流场模型,结合计算流体动力学软件Fluent 6.3,采用欧拉多相流模型对泵内两相流场进行了数值模拟.对两相流场的磨损机理进行了阐述,根据泵的设计工况对流道内固相体积分数分布进行数值计算及分析,同时对过流部件的基本磨损情况和主要磨损部位进行了预测.结果表明：叶轮的主要磨损部位在叶轮进出口处、叶片工作面、叶片前流线和前盖板处;设计的压水室耐磨衬板间隙自动补偿装置的可更换的结构形式能够保证泵的高效运行并延长泵的使用寿命;泵的性能试验结果表明该泵设计合理,额定点效率提高了3.8%.     

中浓纸浆泵内部气液分离数值模拟与试验

为了研究中浓纸浆泵内部的气液分离特征,基于欧拉-欧拉多相流模型,对泵内的流动进行三维非定常数值模拟,分析了转速、抽气真空度和流量对气液分离的影响及瞬态气液分离过程.搭建了基于声呐流量计的泵性能测试系统,研究了中浓纸浆泵运行性能特点.结果表明:随着转速的增大,较高的气体体积分数区域集中于湍流发生器叶片的背面,叶轮内的气体含量减小;随着流量的增大,湍流发生器内气体体积分数较高的区域面积逐渐减小,大流量工况下气体集聚在湍流发生器的背叶片根部.叶轮背面叶片的作用使气液得到了进一步的分离;转速、抽气真空度和流量的增大可以提高叶轮的气液分离能力.叶轮的排气孔附近产生并聚集了大量气体,并伴随着强烈的气液两相流相互作用变化.通过中浓纸浆泵的性能试验研究,发现提高泵的转速和抽气真空度有利于泵内的气液分离,验证了采用数值模拟方法研究中浓纸浆泵内部气液分离的正确性.研究气液分离特征有助于认识中浓纸浆泵内部气液分离过程的演变机理,为中浓纸浆泵的气液分离结构和排气系统提供设计参考.     

离心泵转轮内流动特性及磨损数值预测

我国黄河沿线取水泵站水泵机组存在严重的泥沙磨损问题。研究对象为一双吸离心泵，采用固液两相流数值模拟预测了泵内粒子运动规律和磨损特性。结果表明：流量对转轮内粒子的运动特性和磨损特性有着显著的影响。在不同流量工况下，转轮内的磨损位置和磨损率明显不同，叶片壁面总磨损率与流量工况成正相关变化，随流量的增加而增加。在小流量工况下，转轮内存在的漩涡和二次流对颗粒的轨迹有较大的影响。漩涡的存在会改变粒子浓度分布，加剧局部的摩擦磨损。研究结果为泵内磨损预测和设计提供理论指导，具有重要的学术意义和工程价值。     

双吸离心泵叶轮内泥沙磨损非定常特性研究

双吸离心泵广泛应用于黄河沿岸的泵站中,其主要部件叶轮普遍存在磨损问题。叶轮是高速旋转的部件,存在动静干涉作用,导致叶轮内的磨损特性是非定常的。采用欧拉-欧拉方法对双吸离心泵进行固液两相流非定常计算,分析了不同工况下,叶轮壁面上的磨损率、冲击角、固相体积分数和速度的非定常特性。结果表明,叶轮表面磨损率、冲击角、固相体积分数和速度均具有周期性,等于叶轮旋转周期;定常计算的磨损率远小于非定常结果,定常计算不能准确预测磨损率。磨损最大部位为叶片头部和尾部。冲击角对磨损损失具有增强或减弱的作用,冲击角脉动曲线与磨损率脉动曲线相似。固相体积分数对磨损脉动特性影响较小,对磨损率有所影响。固相速度对磨损率影响显著。     

变速调节对离心泵泥沙磨损特性的影响分析

采用欧拉-拉格朗日多相流模型对双吸式离心泵内的水流和泥沙颗粒运动进行了模拟,运用离散相冲击模型对叶片及轮毂的磨损情况进行了预测,分析了变速调节对离心泵泥沙磨损的影响。结果表明:设计工况下,叶轮磨损严重的位置主要集中在叶片头部以及轮毂面上靠近叶片吸力面的区域,叶片吸力面磨损强度大于压力面,数值模拟结果与现场观测结果相吻合;提高水泵转速后,叶轮流道中的相对流速分布变均匀,叶片和轮毂面的磨损明显改善,高强度磨损面积减小,磨损区域变分散。     

叶片型线对渣浆泵水力性能及叶轮磨损特性的影响

为研究叶片型线对渣浆泵水力性能及叶轮磨损特性的影响,以LC100/350型渣浆泵为研究对象,工质为石灰石浆液,在叶轮轴面及叶片进出口安放角等参数不变的条件下,采用对数螺旋线进行叶片型线控制,通过数值计算方法,采用离散相模型,分析渣浆泵叶轮叶片型线对其水力性能及磨损特性之间的关系.计算结果表明:采用变角螺线法设计的圆柱形叶片有利于提高水力效率,但将导致扬程的小幅降低;包角120°的叶型为设计空间水力性能最优叶型;不同的叶片型线条件下,渣浆泵的水力性能与其叶轮磨损特性相互制约;小包角的叶片导致泵的水力性能下降,但叶轮磨损强度相对较低;叶轮的磨损强度与固相浓度呈正相关关系,叶轮磨损最严重的部位位于后盖板靠近轮毂的区域;在大流量工况下叶片包角对叶轮磨损强度影响较额定工况及小流量工况显著得多,颗粒粒径的变化与颗粒浓度的变化对泵的水力性能及叶轮磨损特性的影响基本一致.     

混输泵小流量工况的空化特性

为改善混输泵在小流量工况下的水力性能,采用基于均相流假设的多相流模型和Rayleigh-Plesset方程,应用标准k-ε湍流模型,对混输泵小流量工况全流道空化流场进行数值模拟,分析几种典型空化工况下混输泵的输运性能以及在不同工况下叶轮内部空泡的分布规律,最后根据模拟结果预测混输泵的能量特性并与试验结果作对比分析,从而在一定程度上验证了数值模拟的可靠性.研究结果表明:在小流量工况下,叶片进口绕流和动静干涉对叶轮内的流动分离产生较大的影响,同时旋涡形成的低压区会加剧进口空化、降低泵的混输性能;从初生到深度空化发展过程中,空化首先发生在叶片进口和靠近中间位置,在叶片背面进口的空化程度较严重,越靠近轮毂空化程度越严重,甚至阻塞流动,加剧叶轮内相态分离.该研究结果为混输泵的进一步优化设计、性能改善及实验研究提供理论依据.     

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%.     

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.     

离心泵压水室形式对微型电泵性能影响的数值模拟

基于标准k～ε湍流模型,应用ANSYS CFX 12.0软件,在原来微型电泵的螺旋形压水室的基础上重新设计了矩形断面的环形压水室,并对环形压水室做了两种改进方案,将4种不同的压水室与同一叶轮组合进行数值模拟与预测。计算结果表明,配环形压水室的微型电泵能够提高关死点扬程及泵的效率,使泵的高效点向大流量方向偏移,综合水力性能较优于螺旋形的电泵,而功率曲线却没有明显变化;采用环形压水室,叶轮四周具有较为均匀的静压,隔舌间隙变大,防止了流动的突然偏斜,使泵在变工况下运行效率变化不敏感,即能在较宽的工况区维持较高的泵效率;将环形压水室的断面轴面高度增加50%的微型电泵获得较优的水力性能,且小流量到额定工况点附近径向力小于螺旋形压水室;通过了试验验证,具有一定的可行性,且为企业节省了加工成本。     

隔舌圆角对核主泵环形压水室流动特性的影响

为了研究核主泵隔舌圆角对环形压水室流动特性的影响,以缩比系数为0.4的核主泵模型泵为研究对象,通过改变隔舌圆角大小设计出11种方案,同时在压水室内建立10个截面,并以此表达压水室流场变化规律,通过数值方法对设计工况下不同方案泵内流场进行数值模拟.对模拟结果分析表明:压水室内压力沿主流流动方向先增大后减小,在以出口扩散管中心为起点沿主流流动方向旋转180°处压力最大;在设计工况下,环形压水室水力损失主要产生于以出口扩散管中心为起点沿主流流体流动方向的1/4环形流域内;隔舌圆角对泵性能有一定影响,在设计工况下隔舌圆角大小只对环形压水室性能有影响,对叶轮性能、导叶性能几乎没有影响;随着隔舌圆角增大,环形压水室水力损失先减小后增大,存在极小值使得环形压水室性能最优;R=50 mm时,环形压水室水力损失最小,泵性能最优.研究结果可为环形压水室隔舌圆角的设计提供一定的理论依据.     

深海采矿斜流泵颗粒运动与叶片磨损

针对某型深海采矿提升斜流泵,采用k-ε湍流模型和Particle Transport Solid粒子输运模型进行了固液两相流数值模拟,对比分析了不同颗粒浓度(2%~12%)和不同颗粒粒径下(1~30 mm)的颗粒运动规律和叶片磨损情况.结果表明,随着颗粒浓度的增大,叶轮进口区域的颗粒聚集程度上升,导叶流道内的颗粒聚集程度加剧;叶轮叶片的磨损面积和导叶叶片的磨损面积逐渐增大.其中,叶轮叶片的主要磨损位置在叶片前缘,导叶叶片的主要磨损位置在叶片转向处和叶片尾缘.叶片的磨损位置都呈现从叶顶向叶根逐渐发展的趋势;导叶叶片的磨损面积比大于叶轮叶片的磨损面积比;随着颗粒粒径的增大,叶轮出口区域的聚集程度减弱,导叶流道内的颗粒聚集减轻;其磨损规律与不同浓度下的工况相一致,叶轮叶片的叶片压力面为主要磨损区域,而且导叶叶片在尾缘的磨损减小.研究结果可为深海采矿斜流泵的优化设计提供理论依据.     

轴流泵马鞍区流场流固耦合数值模拟

为了分析轴流泵不稳定运行马鞍区工况内叶轮的结构,并研究该结构的稳定性,采用雷诺时均离散方法和标准k-ε湍流模型对泵装置流场进行CFD数值模拟,利用ANSYS的Workbench平台,通过单向流固耦合模型对叶轮的应力和应变进行计算,得到了不同工况下叶轮受流体压力作用所产生的等效应力及变形量,研究了叶轮结构的应力和变形量随流量的变化特征.研究结果表明：在40%～75%设计流量下不稳定运行马鞍区,数值模拟能准确地计算轴流泵内部流场,泵装置内部流态随流量的减小逐渐紊乱.轴流泵叶片表面应力分布不均,集中分布在叶片根部,随着流量的减小最大应力逐渐增大,马鞍区工况叶片结构应力有较大的安全余量,满足强度要求;叶片进水边外缘叶尖处变形较大,振动现象明显,最大总变形量随着流量的减小先增大后减小,但大变形区域由叶尖向叶缘扩散.研究结果为轴流泵马鞍区安全稳定性研究提供了一定参考.     

CAP1400核主泵叶轮动应力计算及疲劳寿命预测

为实现核主泵叶轮疲劳寿命预测,考虑叶轮高温高压的恶劣运行工况建立流-热-固耦合计算模型,应用ANSYS CFX软件对核主泵叶轮内部流动的压力载荷和温度载荷进行非定常数值计算,在ANSYS Workbench中实现载荷向结构的传递,并对叶轮动力响应疲劳载荷开展研究.利用雨流计数法对叶片危险部位的载荷数据进行统计分析,进一步结合Palmgren-Miner理论对核主泵叶轮的最小疲劳寿命周期进行预测.研究结果表明：叶轮在旋转过程中承受周期性交变应力的作用;叶轮叶片进、出口边与前、后盖板交接处容易发生内部应力集中,最大应力出现在叶片出口边与前盖板交接处,为142.57 MPa;叶片各危险部位承受应力波峰和波谷的时间基本一致;叶轮产生的疲劳为应力疲劳,疲劳破坏首先发生在叶片进口边与后盖板交接处;计算得到叶轮的疲劳寿命为277.94 a.研究结果可为叶轮的动态强度优化和疲劳设计提供一定参考.     

基于MUSIG模型的气液两相流离心泵内部流动数值模拟

为了解决当前气液两相流泵内部流动数值模拟中所采用的欧拉-欧拉双流体非均相流模型无法考虑气泡离散相粒子直径的变化以及气相之间的聚合作用与破碎作用,导致在高含气量时的模拟结果与试验存在一定差距的问题,文中将一种新型的欧拉-欧拉双流体拓展模型,即MUSIG模型用于气液两相流泵内部流动的数值模拟,通过与气液两相流工况外特性试验数据对比发现,入口含气率在5%左右时,MUSIG模型计算得到的外特性曲线与试验结果有轻微偏差,整体趋势吻合较好;普通的欧拉-欧拉两相流模型在大含气率下与试验相差较大.基于MUSIG模型,分析入口含气率对内部流动特性的影响,结果表明:入口含气率的增加会引起内流失稳,流线紊乱,气相逐渐聚集在前盖板与流道中间部位,最后引起能量损失,叶轮出口压力下降.这些现象会随着入口含气率增加而逐渐加剧,最终扬程与效率均会随着含气率增加而下降.含气率小于3%时,内流较稳定;当入口含气率为5%时,扬程下降至32 m,效率下降至55%,推测此时流道内气相聚合,生成气囊.     

两级中开泵级间隔板对双吸叶轮径向力的影响

为研究两级中开泵双吸叶轮所受径向力,基于SST k-ω模型分别对原型泵和加入隔板后的两级中开泵进行数值模拟,获得了泵外特性、螺旋形压水室和双吸叶轮截面上的静压分布及作用在双吸叶轮上的径向力特性.研究结果表明:试验与数值计算外特性曲线趋势一致,表明建立的两级中开泵计算模型是可靠的;级间流道内隔板结构对二级压水室内部的静压影响不大,而双吸叶轮内部静压变化比较明显;隔板对外特性影响比较明显,加入隔板后扬程提高了9%~16%,效率最高增幅约为5%;在一个周期内不同工况下,叶轮所受径向力呈明显的规律性分布,即十角星分布,说明叶轮上径向力矢量分布跟叶轮与蜗壳的动静干涉作用相关;两级中开泵在0.6倍设计工况下径向力最小但不为0,在设计工况下有隔板结构的两级中开泵双吸叶轮所受径向力小于原型泵.     

基于FLUENT的单-双涡室离心泵径向力分析

以某电厂3715L型脱硫泵为模型,应用商业软件FLUENT,采用标准k-ε湍流模型和SIMPLEC算法,对单-双涡室离心泵内部流场进行模拟,分析了这两种泵静压力和速度场的分布规律,并对径向力进行了计算分析.通过对比分析发现,单涡室离心泵在非设计工况点时隔舌两侧区域出现较大压差,作用于叶轮产生径向力,小流量时叶轮出口出现不对称的高速流体;双涡室结构能够有效地改善非设计工况点时压水室能量的转化,小流量时叶轮出口的高速液体呈对称分布,从而降低了压水室压差,起到了平衡径向力的作用;通过计算发现,偏离工况点时双涡室结构设计能有效地减小径向力.数值模拟的结果与现有理论的基本吻合,实际运行情况稳定,可以为更好地认识和设计双涡室离心泵提供依据.     

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.     

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.