叶轮轴面图参数对离心泵性能的影响

为了研究叶轮轴面图上前、后盖板圆弧半径和倾角对离心泵性能的影响,选择一台比转数为84.8的离心泵双圆弧叶轮轴面图为研究对象,基于数值模拟计算结果,采用二阶响应面模型建立了前、后盖板圆弧半径和倾角与水力性能之间近似模型,其中24组数值试验方案由最优拉丁方方法确定。结果表明:前盖板倾角对设计工况下扬程、功率和效率的影响最大。该研究成果为离心泵叶轮轴面图的优化设计提供了依据。     

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.     

基于三维湍流数值模拟的余热排出泵叶轮优化设计

采用多块网格技术,利用六面体结构化网格和四面体非结构化网格相结合的混合网格离散计算域,采用稳态多参考系方法求解RANS方程,对余热排出泵内部的三维湍流流动进行数值模拟.为了增强数值模型的可靠性,对4种湍流模型的适用性进行了评估,其中剪切应力输运（SST）湍流模型计算值与试验值最接近.通过分析余热排出泵叶轮子午面和叶片通道间的流动,发现由于局部结构设计不合理使叶片进口边靠近前盖板侧有回流且叶片通道内有较大的旋涡和流动分离现象,流动损失较大.在保证导叶与蜗壳结构不变的前提下,通过调整叶轮盖板的曲率形状和修改叶片进口安放角和叶片型线对叶轮进行了优化设计,使叶轮内流场分布得到了有效改善.结果表明：优化后泵的流量和扬程都满足设计要求,且设计工况点的效率提高了约7%.     

余热排出泵叶轮内空化流动特性的数值分析

为研究余热排出泵叶轮内空化流动特性,基于Rayleigh-Plesset方程的混合物均相流空化模型和剪切应力运输SST k-ω湍流模型,对余热排出泵水力样机叶轮内空化流动进行数值计算.根据计算结果获得了余热排出泵水力样机空化性能、设计流量工况不同装置空化余量条件下叶轮内空泡分布规律及其叶片表面载荷分布.研究结果表明:设计流量工况下,叶轮内空泡随着装置空化余量的降低逐渐呈不对称性分布,当装置空化余量低至2.63 m时,个别流道发生了堵塞.叶轮不同切面上的空泡分布不一样,切面越靠近后盖板,叶片吸力面上空化区面积越大,扬程发生突降之前,泵叶轮内空化表现为准静态空穴的特征.由于主流方向在叶轮进口处发生了急剧变化,使得叶片压力面靠近叶片进口边处上叶片载荷出现了先突然增大然后又迅速降低的变化规律.     

基于变倾角叶片型线方程的螺旋离心泵轴面速度确定

根据固液两相流在螺旋离心泵叶轮内通过螺旋段和离心段的不同运动特性,以及螺旋离心泵的结构特征,推导了螺旋离心泵的变倾角叶片型线方程.该方程避免了螺旋离心泵一元设计理论对设计经验的依赖性和叶轮轴面流线分点的复杂性,可通过改变型线方程中的参数来改变流体从轴向至径向过渡时液流的轴面速度分布,从而找到最佳的轴面速度分布,对该类型泵的计算机辅助设计、内部流场数值模拟以及泵性能改善有重要意义.     

离散化技术在离心泵设计上的应用

论述了采用离散化进行离心泵叶轮轴面投影图设计的两种方法。对轴面投影图设计的正问题－－由前后盖板流线确定轴面投影图的传统的程序设计方法进行了优化;同时着重讨论了由后盖板流线及附加中线方程确定轴面投影的图的一种设计方法－－轴面投影图设计的反问题,采用离散化技术避免了繁琐的内切圆圆心轨迹推导的数学过程,运用高次多项式作为函数,改变多项式的阶数及系数进行优化设计,适用于对汽蚀和效率有不同要求的离心泵设计。     

CAD在消防泵水力设计中的应用

CAD技术在机械设计中的应用越来越广泛。文章结合该厂生产实际，对CAD技术在消防泵叶轮水力设计中的应用进行了尝试，建立了叶轮轴面投影图的数学模型，把轴面投影图设计参数化、流道检查公式化，在计算机上实现了轴面投影图设计、流道检查的自动化，且在应用中给出低比转数叶轮ρ－L曲线分别随各变量变化的规律。此程序大大提高了叶轮水务设计的精度和速度。     

叶片进口边位置对单叶片离心泵性能的影响

为研究叶片进口边位置对单叶片离心泵性能和内部流动特性的影响,设计了6种不同叶片进口边位置的叶轮.在完成数值计算方法可靠性的试验验证后,分别对采用6种叶轮的泵进行了全流场定常数值计算.计算结果表明:叶片进口边沿前盖板或后盖板向泵入口适当延伸,可增强叶片对流体的控制能力和叶片的做功能力,扬程最大可分别提高1.61 m和0.70 m,效率最大可分别提高5.23%和2.01%;叶片进口边向泵入口延伸过多,会造成叶片入口处流体堵塞,某些工况下泵的扬程和效率反而会降低;叶片进口边沿前盖板或后盖板向泵入口延伸,可降低流体在叶片入口处的能量损失,能够提高叶片吸力面入口处的压力,和减小蜗壳内的低速区域,但是会增大叶片入口处、叶片压力面前端和叶片吸力面附近的低速区域.与叶片进口边沿后盖板向泵入口延伸相比,叶片进口边沿前盖板向泵入口延伸对泵的扬程和效率影响更明显.     

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.     

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.     

基于RBF神经网络与DECIMO算法的螺旋离心泵多目标优化设计

针对螺旋离心泵运行时性能普遍偏低的问题,以某一典型螺旋离心泵为研究对象,应用计算流体动力学软件CFX对螺旋离心泵进行数值计算得到其内部流动规律.以在设计流量工况下的扬程和效率作为优化目标,采用P-B试验与多因素方差分析筛选出优化变量,采用径向基(RBF)神经网络建立优化目标与优化变量之间的预测模型,并结合差分进化(DECIMO)算法在样本空间内全局寻优.取扬程最优、效率最优和初始个体进行数值计算,对比分析泵输送不同介质(清水与固液两相流体)时的流场及其外特性差异,并进行试验验证.研究结果表明:叶片轮毂进口角β_1b、叶轮出口宽度b₂、叶轮出口直径D₂和叶片包角φ是影响螺旋离心泵扬程和效率的显著因素;由RBF神经网络建立的预测模型精度较高;输送清水时,设计流量下扬程最优个体扬程为9.4 m,增长了13.5%;效率最优个体效率比初始个体提高了9.8%,优化效果显著.     

离心风机叶片三维反问题优化设计

基于三维反问题设计方法和CFD技术,结合试验设计方法、响应面方法和模拟退火优化算法,建立了离心风机叶片三维形状的优化设计方法。以叶轮效率为优化目标,以环量分布参数为优化设计变量,进行了离心风机叶片的优化设计,优化设计结果叶轮效率提高了2.2%。根据建立的优化设计变量和叶轮效率之间的响应面函数关系式,分析了不同环量分布参数及参数间交互效应对叶轮效率的影响,结果显示轮毂进口段环量分布对叶轮效率有较大影响;轮缘处的环量分布形式对叶轮效率影响更为显著。     

基于变环量设计的混流泵叶轮多工况优化

由于外部运行条件频繁变化，混流泵常于非设计工况运行，导致其运行效率偏低。针对混流泵开展多工况优化以扩大其高效区范围具有重要意义。采用环量法，以轮毂及轮缘处流线方向环量的偏导数(载荷)、叶轮出口处翼展方向环量控制参数以及叶片尾缘倾角为设计参数，以设计点扬程为约束条件，以0.8、1.2倍设计点处效率为优化目标，结合实验设计、近似模型和优化算法对一导叶式混流泵叶轮进行变环量优化与分析。研究结果表明：变环量设计在混流泵叶轮的多工况优化中是有效的；轮毂处流线方向前加载，轮缘处流线方向后加载，叶轮出口处环量从轮毂到轮缘递增分布均有利于混流泵性能的提升；优化后混流泵模型在0.8、1.0、1.2倍设计流量处泵段效率分别为81.11%、88.38%和80.56%,在设计流量处扬程为12.33 m,相比于原始模型，效率分别提升0.63、3.18、6.72个百分点，而扬程变化小于2%。因此，所提出的基于变环量设计的混流泵叶轮多工况优化方法是有效的，可以为同类型叶轮机械的设计优化提供参考。     

离心风机叶轮三维反问题气动优化设计

基于三维反问题设计方法和CFD技术,结合试验设计方法和模拟退火优化算法,以轴面流道形状参数和叶片形状参数为设计变量,以叶轮效率为优化目标,建立了离心风机叶轮三维反问题气动优化设计方法。叶片形状通过三维反问题设计方法由叶轮的环量分布参数表达。运用该方法进行了离心风机叶轮的优化设计,叶轮效率提高了3.3%。根据建立的优化设计变量和叶轮效率之间的响应面函数关系式,分析了不同轴面流道形状参数和环量分布参数及参数间交互效应对叶轮效率的影响。结果表明:相对于轮盘处轴面流道轮盖处型线和环量分布形式,轴面流道叶片进口边倾斜角对叶轮效率影响更为显著。     

斜流泵叶轮的多参数组合优化

以比转速为392的斜流泵为研究模型,选取叶片出口安放角、叶片出口边宽度、后盖板倾角3个参数作为研究变量,采用CFD方法对斜流泵性能进行了多参数组合优化的数值计算,并根据性能试验数据验证了CFD数值方法的准确性。基于Box-Behnken试验建立3因素3水平共17组叶轮模型的试验表并对各方案设计工况下的内流进行了数值计算。采用二次响应面模型拟合效率的性能预测模型,给出目标函数,基于遗传算法对目标函数进行求解。结果表明,对效率影响最为显著的参数为叶片出口安放角,其次为叶片的后盖板倾角,且效率均随二因素的增大而减小,叶片出口边宽度对其影响最小;与原模型叶轮叶片参数相比,β2、b2大于原模型参数,T2保持不变,优化结果显示模型泵水力效率提高1.2%,扬程提高了0.8%。     

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。     

混流泵叶轮反问题设计与水力性能优化

基于三维反问题设计方法,结合CFD数值模拟,以混流泵叶片载荷分布参数为设计变量,以水力效率为优化目标,采用正交试验方法和响应面函数法建立设计变量与目标函数的关系,对混流泵进一步优化。分析了不同设计变量对目标函数的影响,发现叶轮轮盘进口处载荷对泵的水力效率影响最明显。通过数值模拟对比基准叶轮与优化叶轮性能,优化后的混流泵模型最优工况下的水力效率提高3.2%,且水泵扬程基本保持不变,优化体系具有良好的工程应用价值。     

基于CFD的主轴密封泵板装置结构优化设计

为研究混流式水轮机主轴密封泵板装置内泄漏水流动特性,应用计算流体动力学软件,针对新疆红山嘴一级电站4号水轮机,将不同泵板装置作为研究对象,研究提高其水力效率的可行性以及对主轴密封降压的效果.在模型准确基础上对泵叶角度和泵盖高度分别改进,对两者联合结构共计22种改进模型进行数值模拟.研究结果表明:泵叶斜置45°且泵盖高度比为0.081 5的联合改进结构对主轴密封真空度提高率可达60.9%;泵盖高度比比泵叶角度改变对该装置水力效率提高更有利;泵盖存在“最不利高度比”,泵盖位置的确定需避免最不利高度比0.135 9.该研究结果将模型结构参数化使得结论的普适性有一定提高,为工程实际主轴密封设计改造提供了一定的理论依据.     

轮毂轮缘对混流泵叶轮三元反问题设计的影响

为提高叶片设计可控度,开展轮毂与轮缘对混流泵叶轮三元反问题设计的影响研究.基于一种无黏与有黏迭代的叶片三元反问题设计方法,以某比转数n_s=449的混流泵为研究对象,在保持叶片载荷分布、进口环量、出口环量等控制参数不变的基础上,通过改变轮毂与轮缘形状设计出系列叶轮.基于剪切应力输运(SST)湍流模型和SIMPLEC算法,对叶轮内流场特性进行数值计算.结果表明:轮毂与轮缘对叶片几何造型与流场特性具有重要影响;通过轮毂与轮缘调节可优化叶轮高效区范围,过流通道面积增大使大流量工况效率有所提高;轮毂形状对轮毂流面的压力分布影响较大,轮缘形状对整个叶片压力分布有较明显影响,叶轮出口过流通道面积过小将造成轮毂流面出现压力波谷现象.三维反问题设计和三维正问题数值模拟相结合的方法可在混流泵设计中发挥重要作用,具有一定的工程应用价值.     

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.