离心泵作透平的研究现状

为深入研究离心泵作透平回收工业余能和开发微型水电,综述了离心泵作透平的研究现状.泵作透平的研究主要采用试验研究、理论分析和数值模拟的方法.总结了泵作透平的主要研究内容:泵作透平的选型及性能预测,特别是透平高效点性能参数的预测;透平过流部件的优化设计与性能提高;透平运行稳定性.着重介绍了泵作透平的选型及性能预测方法:通过试验,获得泵正反转工况的性能参数;基于试验数据,通过理论分析,提出经验公式,得到泵正反转性能参数的关系;CFD技术与试验相结合对泵作透平的性能进行预测.并对离心泵作透平的发展进行了展望,提出今后离心泵作透平的主要研究趋势:准确的选型方法、新的设计理论与方法、振动、非设计工况的稳定运行及大功率多级泵作透平的研究.     

离心泵反转作液力透平的力学特性

以一台比转数为84.5的离心泵为研究对象,应用CFD软件对该泵作液力透平时的内部流场进行数值模拟,建立相对坐标系下的连续方程和时均Navier-Stokes方程,采用标准k-ε湍流模型和SIMPLEC算法分别对泵工况和液力透平工况进行数值模拟,得到2种工况下在不同流量时的径向力.通过对比泵工况下径向力的数值计算值和Stepanoff公式计算值,发现两者径向力大小比较吻合,表明数值模拟建立的径向力计算模型是正确的.数值模拟结果表明:液力透平工况时的最高效率比泵工况时的最高效率低约5.4%;在相同流量下透平工况时径向力普遍小于泵工况时的径向力;透平工况时径向力的大小随流量的增大而增大;当流量小于设计流量的1.1倍时,随着流量的增大,液力透平工况时径向力的方向和隔舌的夹角从146°减小到125°,但当流量大于设计流量的1.1倍时,其与隔舌的夹角随流量的增大而增大,在1.4倍的设计流量时其夹角达到144°.通过计算和实例表明在透平工况下运行时,泵轴强度仍然满足使用要求.     

高压泵反转式液力透平性能模拟与试验

以离心泵水力设计为基础,参考水轮机水力设计,通过Pro-E建立液力透平的三维模型,运用CFD技术对四组出口安放角不同的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,对内部流场的静压分布特征进行了研究。研究结果表明叶轮内静压值随流动方向呈下降趋势,叶轮与导叶相互影响,叶轮流场不对称导致流场不稳定。对液力透平性能进行预测,从中筛选出最优模型。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与效率和模拟扬程与效率相差很小;实测扬程与模拟值有较小的差别;实测回收功率比模拟功率稍小。因此,出口安放角为450的液力透平模型是符合要求的。     

离心泵作透平多工况内流与能量转换特性

为揭示不同流量下离心泵作透平的能量转换特性,基于1台比转数为90的单级悬臂式离心泵,在透平工况下对其进行数值模拟,并结合试验验证了数值模拟的准确性.结果表明:叶轮是透平内水力损失的主要部件,叶轮内水力损失占比随流量的增大呈现出先减小后增大的变化趋势.设计工况(Q=80m³/h)下,蜗壳、叶轮、腔体的水力损失占比分别为33.0%,35.1%,22.3%.通过对内流场中的流线分布和叶片进口速度三角形进行分析,揭示了不同工况下透平内流特性与水力损失之间的关系.设计工况下叶轮内流动均匀,无明显旋涡存在,在小流量工况下叶轮进口端面存在回流现象,旋涡出现在大流量工况叶片的吸力面.最后,采用拟涡能系数从能量的角度分析了不同工况内部流动的损失情况,进一步揭示了透平的能量转换机理.研究结果可为离心泵作透平的高效设计及实际现场运行调控提供参考.     

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.     

离心泵作透平壳体模态分析

离心泵反转作透平是一种回收液体余压能的理想方法,泵壳的模态分析对泵作透平的振动性能至关重要.为了掌握泵作透平下,壳体模态对振动激发噪声辐射规律的影响,验证泵壳有限元模型的准确性,针对离心泵泵壳结构特点设计并搭建了模态试验台,采用捶击法对泵壳进行了试验模态分析,对离心泵壳体进行三维建模与有限元分析,进行试验与数值分析结果的对比.结果表明:壳体各阶模态均为独立模态,且相互正交,可认为试验模态识别精度得到检验,试验模态结果具有较高的可信度.建立的有限元模型能够较好地反映实际结构的动态特性,可用于基于模态求解的振动辐射噪声特性分析.     

不同正导叶几何参数下多级泵作透平功率-流量曲线研究

为适应过程工业中生产调节对液力透平性能的影响,要求多级泵作透平的输出功率随流量的变化较小,即输出功率-流量曲线较平坦。基于欧拉方程,根据速度矩守恒,推导得到导叶式透平输出功率与几何参数的关系式。利用数学求导,判断出导叶几何参数对输出功率曲线平坦性的影响规律。以两级径向导叶离心泵作透平为研究对象,改变正导叶几何参数设计研究方案,通过Fluent软件数值计算并进行试验验证。研究结果表明：数值计算结果与理论推导相符,适当增大正导叶的喉部面积、出口安放角、叶片数或适当减小正导叶基圆直径都可以使输出功率曲线变平坦;设计工况点正导叶几何参数对功率曲线斜率(平坦性)影响由大到小为喉部面积、出口安放角、叶片数、基圆直径,斜率依次减小0.17、0.11、0.05、0.03;适当增大喉部面积可以使透平效率提升1.65个百分点,高效点向大流量偏移。     

双吸泵正反转内部流场数值模拟及性能预测

为了研究双吸离心泵在正转和反转时不同的流动特性,基于CFX软件采用标准k-ε模型对双吸离心泵内部流场进行了数值模拟和性能预测.计算了双吸泵在正转和反转时各自最佳工况点的水力性能,并对比了双吸泵最佳工况点在正转和反转时流场特性的差异.最后将性能预测的计算值与试验值进行对比分析,表明该计算方法能够较准确地预测泵的性能.在双吸泵反转用作液力透平时,发现泵在反转工况下的高效区向大流量偏移,效率在大小流量区的变化差别很大,流量太小将使得泵的转矩方向发生改变,导致流体不再对叶轮做功,并且泵反转的最大损失发生在蜗壳到叶轮的过渡区,即叶片的出口处.通过内部流场的分析,得到了详细的压力和速度矢量分布规律,对进一步研究泵反转作液力透平进行水力设计提供了一定依据.     

射流式自吸离心泵研究现状与前景展望

射流式自吸离心泵作为一种新型结构的泵,具有启动前无需向泵体内灌水可实现快速自吸的特点,已经成为国内外研究的热点.通过回顾射流式自吸离心泵的发展历程,分析了射流式自吸离心泵的工作机理与结构优势,并在系统总结国内外研究成果的基础上,从导流器式不对称压水室、碗式回流阀自动关闭结构形式、射流喷嘴几何尺寸、喷嘴收缩角变量等方面分析了射流式自吸离心泵理论与技术研究进展,并提出了未来的研究方向:在水力设计方面,设计不同结构型式的水力模型,深入探讨叶轮不同几何参数对泵整体性能的影响;在结构上,采用创新的自吸结构,不断深化自吸结构对自吸性能的影响机理,并确定各零部件最优几何参数的选取方法,提高射流式自吸离心泵的各项性能指标;在加工工艺上,突破传统浇铸的制造方法,采用新型的铝合金压铸成型,为研制高效、快速自吸、低能耗的射流式自吸离心泵提供理论依据.     

基于神经网络的离心泵能量性能预测

总结了BP网络和RBF网络在离心泵能量性能预测中的应用现状,介绍了这两种网络的结构及特点.分别采用BP网络和RBF网络建立了离心泵能量性能预测模型.用57组数据对这两个预测模型进行了训练,并用6组数据对两种网络结构的性能预测模型进行了仿真.研究结果表面:两种网络结果的预测模型预测精度比较接近且预测结果的趋势也相同,BP网络预测精度略高于RBF网络;BP网络扬程平均预测误差为3.85%,效率平均预测误差为1.39%,RBF网络扬程平均预测误差为4.79%,效率平均预测误差为3.43%;RBF网络预测所需时问仅为BP网络预测所需时间的一半.     

离心泵非定常流动计算及性能预测

采用以SSTk-ω模型封闭的雷诺平均方程和滑移网格技术计算了离心泵内的非定常流场.基于非定常流动计算结果,考虑容积损失、圆盘摩擦损失和机械损失,对离心泵的性能进行了预测,并与实测性能曲线进行了比较.结果表明,在给定进口速度的条件下,由于叶轮与蜗壳隔舌的相对位置不同,泵的扬程和轴功率有比较大的脉动,且其脉动幅值随流量的增大而增大.定常流动计算和非定常流动计算所预测的性能曲线在大流量与设计工况时相差不大,在小流量时有明显的差别.与试验曲线相比,预测的扬程曲线偏低,轴功率曲线也偏低,效率曲线比较接近.由于在设计工况时定常计算和非定常计算差别不明显,在设计过程中采用定常计算是可行的.     

基于数值模拟的多级双吸式离心泵性能预测

以北赵引黄工程谢村站用多级双吸式离心泵为研究对象,基于雷诺时均N—S方程,采用SSTk－ω湍流模型,压力速度耦合使用SIMPLEC计算,对泵内部流动进行了三维定常全流场湍流数值模拟,得到不同工况下该泵内部流动的速度矢量图等流场信息．在对其内部流动规律进行了定性分析的基础上,预测了泵的性能,并与现场测试结果进行了对比分析．分析结果表明：首级叶轮首级压水室以及次级叶轮次级压水室内流动较均匀;由于过渡流道的结构特点以及流动惯性,流体在首级压水室进入过渡流道时,在流道突然扩大区域形成了旋涡,旋涡区域大小与流量有关;预测扬程值与现场测试扬程吻合较好,预测扬程最大误差为2．7％,而预测的流量－水力效率曲线与现场测试流量一机组效率曲线变化趋势一致．水泵内部流动的数值模拟可为工程中泵设计阶段的性能预测和结构优化提供依据．     

多级离心泵水力性能数值预测涡量分析法

为了研究利用CFD技术预测多级离心泵水力性能的方法,选取某一多级离心泵为研究对象.采用数值模拟方法获得了多级离心泵内部全流场信息.分别选取多级离心泵单级、二级、三级的三维模型进行全流场数值模拟,获得了3种三维模型各水力部件内部的的水力损失,通过对计算结果分析发现,多级离心泵内部各级水力损失大小基本类似,不随级数的不同而改变,这为通过对少级数的数值模拟以预测更多级数的泵性能提供了依据.通过对多级离心泵内部流场各级能量损失进行分析,分析各级能量损失特征及其流动特点,发现各级涡量分布基本一致,损失特性相同,只在最后一级导叶内部的涡结构有一定的区别.采用能量分析结合多级泵内部流场涡动力学分析方法建立了多级离心泵性能数值预测的计算方法,并建立了多级离心泵性能预测基于少级数模型数值分析的计算公式.     

离心泵输送粘油的水力性能计算

采用CFD程序FLUENT计算了离心泵输送水和粘油时的内部流动和水力性能,重点考察了液体粘度对泵水力性能的影响,并将计算结果与实验数据进行了对比．结果表明,叶片与蜗壳隔舌之间的相对位置对泵水力性能影响很小;叶轮水力效率和水力损失系数分别随着液体粘度的增大而降低和增大,但在个别粘度和流量下,水力性能比输送水时要好;叶轮理论扬程在小流量工况下出现驼峰．计算的泵扬程与实验值接近,存在“扬程突升”现象．该现象是由粗糙的叶轮和蜗壳过流表面,以及液体粘度增高引起的．     

离心泵变工况流场分析及径向力数值预测

针对离心泵内部流场进行了数值计算,计算采用雷诺时均方程和RNGk-ε湍流模型,压力和速度耦合采用SIMPLEC算法.在分析变工况离心泵流场的基础上,提出了离心泵径向力数值预测的数学模型,并计算了不同工况下径向力的大小和方向.结果表明,离心泵在设计点运行时径向力最小.通过对比径向力数值预测值和Stepanoff公式预测值的差异可以看出,其差值随流量增大从负到正,相对误差不超过7%,表明离心泵径向力数值预测方法是可行的.     

泵与泵装置特性预测

根据泵和泵站的有关文献及作者提出的泵与泵装置性能（效率及临界汽蚀余量）的表达、换算方法,通过进一步的数学推演,提出了水泵及泵装置性能统一表达式.统一表达式包括：扬程通用式、流量通用式、效率通用式、临界汽蚀余量通用式等.用二次多项式表达了泵及泵装置的扬程特性;根据最小二乘法原理给出了扬程系数计算式.介绍了总效率的表达式,并给出效率常数计算方法.介绍了计及冲击损失的影响,并适用于任意工况点的汽蚀特性表达式;同时给出汽蚀余量系数的计算方法.扬程通用式、流量通用式、效率通用式、汽蚀余量通用式等是在各表达式基础上,根据原模型泵及流道内流动相似,运用水泵相似律、比例律,推导扬程系数、效率常数、汽蚀余量系数的相似关系式;综合各表达式和系数、常数相似关系式即为既适用于模型亦适用于原型的统一表达式,或称通用式.统一表达式既可用于计算,亦可用于原模型的相似换算.     

泵与泵装置特性预测

根据泵和泵站的有关文献及作者提出的泵与泵装置性能(效率及临界汽蚀余量)的表达、换算方法,通过进一步的数学推演,提出了水泵及泵装置性能统一表达式．统一表达式包括:扬程通用式、流量通用式、效率通用式、临界汽蚀余量通用式等．用二次多项式表达了泵及泵装置的扬程特性;根据最小二乘法原理给出了扬程系数计算式．介绍了总效率的表达式,并给出效率常数计算方法．介绍了计及冲击损失的影响,并适用于任意工况点的汽蚀特性表达式;同时给出汽蚀余量系数的计算方法．扬程通用式、流量通用式、效率通用式、汽蚀余量通用式等是在各表达式基础上,根据原模型泵及流道内流动相似,运用水泵相似律、比例律,推导扬程系数、效率常数、汽蚀余量系数的相似关系式;综合各表达式和系数、常数相似关系式即为既适用于模型亦适用于原型的统一表达式,或称通用式．统一表达式既可用于计算,亦可用于原模型的相似换算．