介质黏度对泵作透平时性能换算的影响

为了研究泵与透平换算系数随黏度与比转数的变化规律,选用5台不同比转数离心泵反转作透平,在5种不同的介质黏度下,对透平工况进行数值模拟.根据数值模拟结果,拟合求得透平的压头、效率与流量的关系式.通过对透平效率-流量关系式的求导,可得到透平在最优效率点处的流量、压头.据此可以求得泵反转作透平时,透平在黏性介质时的最优工况下的流量、压头与水泵在清水介质最优工况下流量、扬程之间的换算系数.通过黏性介质下透平的水力效率、压头与流量关系曲线发现:介质黏度对透平性能的影响较大,随介质黏度的增大,透平的水力效率明显下降.比较不同比转数下的换算关系随黏度变化曲线图可发现:对于同一比转速的透平,换算系数均随黏度的增大而增大;而当介质黏度相同时,随着比转数的增大,流量、扬程换算系数大体呈减小趋势.     

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.     

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.     

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.     

双流道泵叶轮切割定律方程的建立与试验

为了找出适用于双流道泵叶轮的切割定律,选用比转数为77和122的两种双流道泵,分别对其叶轮进行了5次切割,并进行了泵外特性试验。通过分析双流道泵在最优工况及关死点工况下性能参数与叶轮直径的变化规律,确定了相应的切割指数取值范围,最终建立了双流道泵叶轮的切割定律指数方程。研究结果表明,双流道泵的流量、扬程、轴功率和效率随叶轮直径的减小而降低,但随叶轮切割百分比的增加,最优工况性能参数的变化规律及下降幅度并不相同,关死点扬程和轴功率随叶轮直径的减小下降明显;双流道泵关死工况点的切割指数可以近似认为与比转数的变化无关;最优工况和一般工况点的流量切割指数随比转数的变化较明显。建立的双流道泵叶轮切割定律预测值与试验值吻合性好。     

叶轮外径对混流泵作透平性能的影响

为了研究混流泵作透平工况下,叶轮外径对性能的影响,以混流泵为模型,通过试验验证了CFD方法的有效性.基于BladeGen设计了160,170,180 mm这3种叶轮外径的混流泵水力模型, 并通过数值分析研究了3种叶轮外径下,混流泵作透平工况下的外特性,水力损失分布及内部流场分布.结果表明:随着叶轮外径的不断增大,混流泵作透平的高效点逐渐向大流量区域移动,高效点的扬程、轴功率及效率都随之增加;大流量区域内,扬程迅速降低,轴功率下降变缓,效率有所上升;总水力损失与叶轮部分的水力损失显著减少;蜗壳部分的水力损失变化不明显;叶轮入口处的旋涡区域逐渐减小,蜗壳出口与叶轮入口之间存在的间隙流体逐渐减小,从而引起该部分水力损失逐渐减小;压力分布更加均匀.     

矿用高速抢险泵推力盘作辅助叶轮的试验

为了获得矿用高速抢险泵中推力盘作辅助叶轮的水力特性,搭建了多功能推力盘实验台,通过试验方法研究了推力盘作辅助叶轮不同转速、温度、出口情况下的水力性能和抗汽蚀性能.试验结果表明:区别于传统离心泵,转速变化定律对推力盘作辅助叶轮产生的扬程不适用,转速越高,扬程系数取值越小.推力盘作辅助叶轮的流量范围与自身结构特性相关,与转速没有明显关系.6种转速下,随着流量增大,扬程不断降低,最大和最小扬程分别为19.64 m和2.62 m;机组效率曲线先增大再降低,最高机组效率为6.5%;功率曲线则缓慢降低.随着转速提高,推力盘作辅助叶轮流量覆盖范围有轻微增大;相同流量点下,扬程和功率数值都有提高.抗汽蚀性能方面,不同转速下,温度对推力盘作辅助叶轮汽蚀性能影响不同;不同流量下,小流量工况下推力盘作辅助叶轮抗汽蚀性能优于大流量工况.     

基于边界层分离理论的低比转数离心泵设计

为研究边界层分离对低比转数离心泵水力性能的影响规律,由边界层不发生分离条件,结合离心泵湍流边界层理论,在不改变叶轮进出口几何参数的情况下,通过实际案例设计新的叶轮叶片型线,探索在水力设计中防止或抑制过流表面边界层分离的方法.叶轮叶片型线方程以叶片安放角β为变参数,引入速度系数kv作为中间因子.水力设计计算结果显示:边界层动量损失厚度随速度系数kv的增大而变厚,理论扬程随速度系数kv的增大而升高;在满足理论扬程的条件下,减小叶片型线方程中速度系数kv的取值,有利于抑制过流表面边界层的分离.数值模拟结果表明,低比转数离心泵叶轮叶片型线设计不合理是导致过流表面边界层分离的主要原因,边界层分离引起泵的水力性能下降,在设计工况下,改型泵的扬程比原型泵的扬程增加不明显,但水力效率有所提升;新的叶轮叶片型线对内流场状况有一定的改善作用,能有效防止回流与涡旋的产生和发展.     

大出口角叶轮离心泵输送粘油性能计算

采用FLUENT计算了44°大出口角叶轮离心泵输送水和粘油的水力性能,通过研究叶轮理论扬程、滑移系数、水力损失系数等重要参数,重点研究了液体粘度对泵水力性能的影响,并将计算的泵扬程和效率与试验数据进行了对比.分析了＂扬程突升＂现象和叶轮理论扬程曲线出现驼峰的原因.结果表明,计算的泵扬程和效率与试验值仅能部分吻合.虽然能够预测出＂扬程突升＂现象,但是不能象试验那样在较宽粘度范围内得到维持.小流量工况的蜗壳与叶轮的强烈作用是叶轮理论扬程出现驼峰的原因.增加叶片出口角会使各个工况下的蜗壳和小流量下叶轮水力损失加大,但大流量下叶轮水力损失下降.     

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。     

蜗壳出口倾斜对混流泵作透平的性能影响

为了提高混流泵作透平工作效率,揭示蜗壳出口倾斜后对透平性能的影响,在不改变其他过流部件几何参数的情况下,利用试验研究与数值模拟相结合的方法,分别模拟蜗壳出口倾斜角度为0°和26°的透平模型,探讨蜗壳出口倾斜对混流泵作透平性能的影响规律.结果表明:蜗壳出口倾斜情况下透平叶轮流道流线分布更加均匀,二次流旋涡现象较径向出口蜗壳的混流泵作透平有明显的减弱;在设计流量(120 m³/h)工况下,混流泵作透平蜗壳出口倾斜后其效率、水头、轴功率分别提升了5.2%,10.41%,17.64%;蜗壳出口倾斜后叶轮和尾水管内部水力损失减小,蜗壳内部水力损失略有增加,总水力损失为减小;试验结果与数值模拟的外特性预测结果变化趋势一致,验证了数值模拟的准确性.该研究丰富了液力透平设计方法,可为混流泵作透平设计提供一定的参考.     

低比转数离心泵叶轮内能量转换特性

对比转数为60的离心泵内部流场进行数值模拟计算,从叶轮做功过程和能量损失过程两方面分析了叶轮内能量转换特性.将叶轮按径向尺寸分为8个区域,展示了不同工况、不同区域中压力和粘性力做功大小、功率密度分布、湍动能耗散率分布、能量损失组成及分布等能量转换相关特征.结果表明,叶轮进口区域能量转换效率相对较低且受叶片进口安放角影响,叶轮中部区域是叶轮做功和流体获得能量的关键区域,叶轮出口区域对叶轮性能有显著影响,壁面摩擦损失是叶轮内能量损失的主要组成部分.     

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.     

离心泵作透平性能预测研究综述及展望

在化工、石油、矿山等高耗能产业中,存在大量高压流体通过减压阀进行直接排放的现象,造成了大量的能源浪费.采用离心泵反作透平对这部分能量进行回收利用是一种经济且实用的方法,但对于离心泵在透平工况下的性能预测是其应用的关键技术及难点之一.本文系统总结了近年来国内外对于离心泵作透平在性能预测方面的研究进展,并对未来的研究方向进行了展望.首先,对离心泵作透平的高效点预测、全工况特性预测方面的研究及进展进行了分类总结和评述:在透平的高效点预测方面,主要采用了经验预估、理论分析、智能算法预测等方法对泵和透平工况下的流量、扬程换算因子进行了计算;在透平的全工况特性预测方面,主要采用了试验拟合、理论分析、数值计算等方法揭示了透平在偏工况与最佳工况下的特性换算关系.最后,探讨了目前研究中存在的一些问题及对未来的研究方向进行了展望.     

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。