进水方式对卷盘式喷灌机水涡轮水力性能影响的数值模拟

为揭示卷盘式喷灌机切击式与蜗壳式水涡轮的内部流态特征与水力性能差异,在叶轮与出水管道相同的情况下,采用基于SST k-ω模型的数值模拟方法,对2种进水方式的水涡轮内部流动进行计算分析,并将切击式水涡轮外特性预测结果与试验数据进行对比验证.结果表明:切击式水涡轮叶轮流道内存在大尺度回流旋涡和强烈的叶片侧端间隙泄漏流动,蜗壳式水涡轮叶轮内部压力与流线分布相对均匀,叶片侧端间隙泄漏流动沿周向无显著差异;不同流量下,切击式水涡轮各主要过流部件的水力损失占比基本保持恒定,叶轮内水力损失约占总水力损失的55%,蜗壳式水涡轮各部件水力损失的占比随流量发生变化;2种进水方式的水涡轮外特性曲线变化趋势基本相同,相同工况下蜗壳式水涡轮的效率相比切击式水涡轮效率高18%~22%,两者最高效率分别为35.6%和59.6%.研究结果可为卷盘式喷灌机水涡轮水力设计及结构改进提供一定依据.     

基于正交试验的斜击式水涡轮优化与分析

参考斜击式水轮机结构设计方法,使用正交试验法对JP75卷盘喷灌机水涡轮的主要几何参数进行优化试验,并对优化结果进行相关系数及主成分分析,最后确定影响效率的主要因素及水涡轮最优参数组合.使用优化后的参数建立水涡轮最优模型,并采用CFD数值计算方法对流量为500～900 r/min、转速为18～40 m3/h下优化模型的性能进行计算及分析;在此基础上,分析了水涡轮外特性曲线,优化模型在非设计转速下具有较高的稳定性和高效性.在流量区间内,优化模型最高效率点提升了近31%;研究了水涡轮优化模型的内部流场分布, 相比于原有模型,内部流场更为合理流畅,进口管道内压力分布均匀,且能够形成有效射流,同时,水涡轮叶片的优化设计解决了存在的局部高压区和叶间涡问题;与原有模型进行能量转化率比较,验证了转轮处能量有效利用率明显提升了42.71%.     

JP50卷盘式喷灌机水涡轮水力性能的试验与模拟

针对目前国内卷盘式喷灌机用水涡轮的外特性和内部流场分布规律的研究较少,设计了水涡轮试验台,对JP50卷盘式喷灌机配套使用的水涡轮进行试验,得到了外特性曲线.采用全流场和结构化网格技术对水涡轮内部流动进行了数值计算,分析水涡轮在不同流量下的压力分布和速度矢量分布,得到了内部流动分布规律.结果表明：水涡轮的工作效率很低,最高效率仅为13%,最高效率点前效率曲线比较陡峭,最高效率点后效率曲线相对较为平坦;最高效率的数值计算与试验结果相对误差为6.87%;高压水通过水涡轮主要工作叶片后压力迅速递减,造成了较大的水力损失;进出口压差随流量的增大而逐渐增大,与水涡轮的水头-流量及轴功率-流量曲线相吻合;水涡轮叶轮出口处出现回流现象;水涡轮出口管道下壁面附近存在低压区,并且随着流量的增大低压区的面积逐渐减小,随之出现了涡流现象.     

JP75卷盘式喷灌机水涡轮水力性能分析与结构改进设计

为了揭示JP75卷盘式喷灌机切击式水涡轮的水力性能及内部流动特征,采用电涡流制动器阻力代替喷灌机负载,进行水涡轮水力性能试验,并基于SST k-ω模型对水涡轮内部流动进行数值模拟。在此基础上,通过模拟正交试验对影响水涡轮水力性能的主要因素进行分析。研究结果表明,水涡轮进出口水头差及输出功率随流量增加近似呈抛物线型增加,不同工况下水涡轮效率均低于35%;水涡轮喷嘴出口处存在回流区,回流区的低速流动降低了喷嘴射流速度,造成水涡轮驱动力矩下降;叶轮内存在一个主过流叶片通道,喷嘴出流在叶轮内主要由主过流通道流经叶轮,主过流通道内叶片工作面压力高于其他区域;叶片出口侧环形流道内流速相对较高,对叶轮内非主过流通道流动起阻滞作用,导致叶轮区形成回流漩涡;喷嘴出口直径和叶片侧端间隙大小对水涡轮水力性能有显著影响,模拟正交试验获得了喷嘴出口直径24 mm、叶片侧向切削点与叶轮旋转轴径向距离52.7 mm、叶片侧端间隙6.8 mm的水涡轮改进方案;与原型水涡轮相比,不同工况下,改进方案水涡轮的进出口水头差降低了20%~30%,输出功率提高了10%~15%,效率提高了12~17个百分点,最高可达52.21%。     

卷盘式喷灌机冲击式水涡轮结构参数优化

针对JP75卷盘式喷灌机冲击式水涡轮驱动力矩小、水力效率低、压力损失高等问题,以提升水涡轮水力性能为目标,在单因素分析的基础上,基于响应曲面模型和CFD数值模拟,选取叶轮侧端间隙宽度(侧端间隙)、出水管入口倒圆半径(倒圆半径)和喷嘴中心与叶轮轴的间距(中心间距)为设计变量,以水涡轮效率最高、驱动力矩最大和压力损失最小为目标函数,运用Box-Benhnken中心组合试验设计方法,开展三因素三水平优化设计分析。结果表明:所建立的二次多项式响应面模型可以准确表征响应指标与设计变量之间的关系,中心间距是影响水涡轮水力性能的最主要因素;水涡轮结构参数最优组合为:中心间距73 mm、侧端间隙2 mm、倒圆半径20 mm;设计工况下的试验结果表明,与原型水涡轮相比,优化的水涡轮效率提高17.6个百分点,驱动力矩提高13.2%,进出口压降降低29.3%。     

JP75型卷盘式喷灌机水涡轮能量转换数值模拟分析

为了对JP75型卷盘式喷灌机水涡轮进行能量转换分析、参数优化及探究其内部流动性能,采用CFD技术,对转速为250 r/min下的水涡轮进行三维建模、多面体网格划分以及数值模拟.分析水涡轮压力云图和速度云图,发现进口管道中不合理的弯道、喉部、喷嘴设计导致了水涡轮运行效率偏低,来流中的压力势能未能转化为有效的叶片冲击动能,大量能量仍以势能的形式储存在液流中.分析过流断面流线图,发现叶片间隙及出口管道入水口处有大量涡旋产生,造成部分能量损失,从而表明现有的JP75型水涡轮进出口设计和叶片设计需要改进.对进水管道喉部之后的射流段和转轮这两处进行能量转换计算,平均效率分别为26.31%和45.44%,转换效率明显偏低.对现有JP75型卷盘式喷灌机水涡轮进行了参数优化设计,经计算,初步确定了优化模型的标称直径为0.201 m、射流直径为0.021 m、设计水头为13.65 m.     

卷盘式喷灌机水涡轮发展与研究现状

为解决国产水涡轮效率低的问题,回顾了国内外卷盘式喷灌机的发展及研究历程和早期对水涡轮的研究,综述了近5 a国内研究人员围绕国产JP50和JP75两种水涡轮所开展的外特性试验、CFD分析和改进措施等研究现状.概述了国外目前常见的冲击式和径流式两种水涡轮的结构类型,重点介绍了国内学者针对引进国外的一种进口为射流冲击式结构的水涡轮所开展的创新性研究,在试验和CFD模拟的基础上,发现这种结构水涡轮的内外特性比国产水涡轮有很大提高,并通过正交试验分析了各种参数对性能的影响,采用GA_-BP优化算法进行了进一步优化设计,获得了一种优化的水涡轮模型,CFD分析和试验都证明,优化水涡轮的内外性能全面超过了国外水涡轮.最后,总结了水涡轮研究存在的不足,提出了今后对水涡轮研究的改进建议.     

8PJ-75/300新型卷管式绞盘喷灌机的研究

针对国外进口产品价格较高,国内有些产品存在着功能不完善、缺乏核心部件(指水涡轮)技术优势等问题,在研学国外新技术的基础上,通过对卷管式绞盘喷灌机上的核心部件-水涡轮进行流体力学方面的理论分析,确定了低能耗、高效率水涡轮的结构参数,并找出了射流喷射角与水涡轮转速之间的变化规律,从而解决了由PE管缠绕层变化而引起的回收速度波动问题.     

JP75型卷盘喷灌机用水涡轮能耗贡献率分析

为对JP75水涡轮各过流部件展开能耗贡献率研究,探究水涡轮性能,利用水涡轮试验台对JP75水涡轮在不同转速下进行外特性试验,并确定水涡轮最优转速(250 r/min);采用CERO和STAR-CCM+前处理对水涡轮全流道内流场进行三维建模、多面体网格划分以及数值计算;计算得到水涡轮在固定转速下的外特性曲线,与试验结果的平均误差为3.28%.计算不同工况下流场内部各处能耗,发现叶轮与进出水管道连接处平均总能耗达到52.18%,其中叶轮与进水管道连接处能耗贡献率达到44.80%,分析云图发现此处压力梯度较大,分布不均匀,叶片工作面涡旋现象明显,说明此处能量耗散现象最为严重,在此基础上,对JP75水涡轮采取优化设计,优化后其效率得到显著提升,水头有明显降低且输出功率得到保证.     

立式与卧式自清洗网式过滤器水头损失试验研究

自清洗网式过滤器水头损失决定着过滤器在过滤过程中的工作效果。【目的】探究立式和卧式2种自清洗网式过滤器水头损失的变化规律。【方法】通过室内原型试验,重点开展了自清洗网式过滤器水头损失与进水流量,含沙量与过滤时间关系的试验探究。【结果】2种过滤器水头损失变化规律一致,进口流量对自清洗网式过滤器水头损失的影响远大于含沙量的影响,随进口流量的增加,水头损失增加;同时,根据连续性方程及局部水头损失公式建立了进水流量与水头损失之间的数学表达模型;将试验结果进行拟合验证,发现2种过滤器计算结果与试验结果误差均小于5%,且公式拟合度均可达96%以上。【结论】公式可指导自清洗网式过滤器水头损失的理论计算,确保自清洗网式过滤器最优工况运行。     

低比速混流式水轮机小开度叶道涡流动分析

混流式水轮机在偏离最优工况下运行时,转轮叶道内会出现旋转涡流,影响水轮机的高效稳定运行。为研究低比速混流式水轮机在小开度工况下叶道涡的流动特性,基于Navier-Stokes方程及Sparlart-Almaras一方程湍流模型,对运行在小开度不同转速工况下的某低比速混流式水轮机,进行三维全流道定常流动数值模拟。计算结果表明:在小开度工况下,两种转速条件存在着分布位置不同、形状大小不一的叶道涡;随着转速的增加,旋涡结构趋于不稳定,内部流场的流态变得非常紊乱,水轮机能量转化效率降低,叶道涡的流动特性与转轮转速密切相关。     

能量回收液力透平的研究现状及展望

能量回收液力透平技术的发展与应用对节能减排有重要意义.液力透平在石油、化肥等行业应用广泛,但存在设计理论与方法不完善、运行不稳定等问题,因此亟须开展相关研究.介绍了能量回收液力透平的工程应用、透平结构形式、能量回收装置形式,提出液力透平主要有反转泵式、冲击式、导叶式和专用液力透平,能量回收装置形式分为直驱式和辅助式.综述了近年来国内外取得的相关研究成果,探讨了能量回收液力透平的选型计算、优化设计、转速稳定性控制、力特性及结构强度、透平速度滑移现象.对能量回收液力透平技术研究的未来发展进行了展望,明确提出未来的重点方向是:采用新的理论与方法研制适用于各种特殊工况的液力透平,提高透平的效率;正确配置能量回收设备及系统参数,保证液力透平转速稳定性;在运行工况偏离设计点时,选择合理的调节方式充分回收余压能.     

叶片形状对能量回收水力透平性能的影响

以3台能量回收水力透平为研究对象,在透平轮基本几何参数（高压边直径、低压边直径、叶片进口宽度、叶片出口安放角及叶片数）和设计转速相同的情况下,根据不同的叶片进口角及包角设计了3种不同叶型,并应用计算流体动力学软件Fluent对其流场进行数值模拟.模拟结果表明：在最优工况下,叶型1透平轮流道内漩涡区域较小,相对速度和静压分布比叶型2和3透平轮均匀,叶型3的相对速度和静压分布最差,叶型1水力透平的最高效率比叶型2和3分别高约1%,2%;3种叶型水力透平的可回收水头和效率在流量小于设计流量时有H2〉H3〉H1,η1〉η2〉η3,大于设计流量时有H2〉H1〉H3,η3〉η2〉η1;在透平轮其他基本尺寸不变的情况下,存在最优的叶片进口角及包角组合;透平轮靠近叶片进口处压力面附近有轴向漩涡存在;相同流量下,叶型3透平轮可回收水头低;当流量大于设计流量时,包角越大,透平轮效率下降越明显.     

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.     

冷却塔中新型混流式水轮机设计

通过数值模拟和试验两种方法,开发出一种新型高比转速混流式水轮机,配备相应变比的减速器,代替冷却塔中的风扇电动机,以达到节能的目的.根据冷却塔水轮机工作环境的特点,为尽量减小水轮机尺寸,在结构设计方面提出了金属梯形蜗壳和单列环形导叶.通过数值模拟,分析了不同的导叶形式、转速、叶片安放角对水轮机性能的影响.通过对比,选取负曲度导叶形式,选择最优单位转速及叶片安放角,确定最优性能的水轮机数模方案.通过物模试验证明所开发的高比转速混流式节能水轮机尺寸能够满足冷却塔要求,其效率高,性能稳定,可以在有条件的地方推广应用.