考虑轴向间隙影响的挖泥泵轴向力数值分析

转子所受的轴向力是关系到离心泵运行稳定性的重要问题,轴向力的大小和方向与离心泵的水力设计、结构设计中的许多参数都有相关性,其中叶轮盖板与蜗壳泵盖之间的轴向间隙是关键影响因素之一。为了量化地探究不同流量下轴向力特性与轴向间隙尺寸之间的关系,该文基于雷诺时均方程(Reynaolds-averaged Navier-Stokes equations,RANS),采用剪切应力传输(Shear Stress Transport)模型,即SST k-ω湍流模型,对一个前盖板含有后弯式副叶片的离心式挖泥泵进行了全流道数值模拟。考虑侧腔流域的多相位定常流动数值模拟得到了与试验测量结果非常吻合的外特性计算结果,各性能参数的计算误差均在5%以内。对该泵在3种轴向间隙下的外特性及轴向力变化规律进行了计算分析,结果表明:随前间隙的增大,泵的效率明显下降,扬程有不同程度的降低,轴功率变化不大;前、后盖板外表面所受轴向力随轴向间隙和流量的改变均有不同程度的变化,而叶轮内流道所受轴向力则基本不变,可视为定值;后盖板所受轴向力的绝对值最大,对总轴向力的方向及变化规律起着决定性作用,叶轮内流道所受轴向力的绝对值最小。随着前间隙的增大,前后盖板上的压力分布越来越均匀,而前后盖板上的速度沿径向均匀分布,基本不受轴向间隙变化影响。因此,在离心泵的水力设计中应综合考虑外特性、轴向力及加工成本,尽量减小前轴向间隙尺寸。本研究可为离心泵的优化设计提供参考。     

气液两相离心泵受力特性研究

离心泵在气液两相流工况运行时,叶轮内部流动极不稳定,为了研究叶轮在该工况下的受力情况,该文采用计算流体动力学的方法对某一气液两相离心泵进行了研究。基于欧拉-欧拉非均相流模型及SST湍流模型求解气液两相流离心泵的三维湍流流场,并将数值模拟结果与试验数据对比,两者吻合较好。通过对不同含气率工况下的离心泵瞬态特性进行分析发现,叶轮所受轴向力的大小随着时间的变化而波动,进口含气率达到3%时,轴向力脉动出现明显的峰值,这些峰值所对应的频率均为叶轮转频,随着进口含气率的增加,出现了2个及以上的峰值,进口含气率为7%工况的轴向力脉动峰值是3%工况的3倍,是5%工况的2倍;叶轮所受径向力大小及径向力脉动幅值均随进口含气率的增加呈先增加后减小的趋势,各工况下径向力脉动峰值所对应的频率均为叶片转频的倍数;通过分析进口含气率分别为1%、3%及7%工况下叶轮中间截面的含气率分布、涡量分布以及静压分布可得,叶轮内含气率较高区域的涡量也较大,而该区域的压力分布也不均匀,由此可见,叶轮内气液分布不均导致了叶轮内的压力分布不均,从而使叶轮受力不均。     

气液两相离心泵受力特性分析

离心泵在气液两相流工况运行时,叶轮内部流动极不稳定,为了研究叶轮在该工况下的受力情况,该文采用计算流体动力学的方法对某一气液两相离心泵进行了研究。基于欧拉-欧拉非均相流模型及SST湍流模型求解气液两相流离心泵的三维湍流流场,并将数值模拟结果与试验数据对比,两者吻合较好。通过对不同含气率工况下的离心泵瞬态特性进行分析发现,叶轮所受轴向力的大小随着时间的变化而波动,进口含气率达到3%时,轴向力脉动出现明显的峰值,这些峰值所对应的频率均为叶轮转频,随着进口含气率的增加,出现了2个及以上的峰值,进口含气率为7%工况的轴向力脉动峰值是3%工况的3倍,是5%工况的2倍;叶轮所受径向力大小及径向力脉动幅值均随进口含气率的增加呈先增加后减小的趋势,各工况下径向力脉动峰值所对应的频率均为叶片转频的倍数;通过分析进口含气率分别为1%、3%及7%工况下叶轮中间截面的含气率分布、涡量分布以及静压分布可得,叶轮内含气率较高区域的涡量也较大,而该区域的压力分布也不均匀,由此可见,叶轮内气液分布不均导致了叶轮内的压力分布不均,从而使叶轮受力不均。     

大型泵站用轴流泵结构的开发与应用

论述了大型泵站用井筒立式轴流泵的结构特征，采用优化水利计算对泵站进水流道进行优化设计，对泵体结构进行改造。说明该泵的优点及实际应用效果，并介绍了该泵的安装方法。     

大型低扬程泵装置优化设计与试验

为了对配置肘形进水流道和虹吸式出水流道的立式泵装置进行深入的研究,得到一种高效的立式泵装置,在肘形进水流道和虹吸出水流道型线数学模型基础上,开发了基于流道设计参数的优化设计软件,能快速进行流道型线的绘制,使流道的型线自动符合一维流速渐变的原则,并对虹吸出水流道的最优驼峰位置进行了理论分析。结合计算流体动力学技术,对待建的某大型低扬程泵站进行了肘形进水流道和虹吸出水流道的优化设计,得到了水力性能优良的进出水流道型线方案。根据泵装置水力模型比选试验,优选出了效率高、高效运行范围宽、无不稳定运行区、汽蚀性能好的高比转数导叶式混流泵211-80模型,在配置优化了的进出水流道的基础上使泵装置在扬程 5.4 m时模型装置效率达到了79.62%。该泵装置的优化设计方法与试验结果对相同装置型式的大型低扬程泵站建设具有重要的参考价值。     

竖井与轴伸贯流泵装置水力特性比较

为比较竖井与轴伸贯流泵装置的水力特性,借助大型商用CFD软件在水泵水力模型、导叶以及流道总长度保持不变的情况下,对竖井和轴伸贯流泵装置进行了数值仿真模拟计算,并对竖井式贯流泵装置外特性进行了试验验证,试验结果表明设计工况点扬程和效率的模拟结果和试验误差在1%以内,非设计工况误差偏大。计算结果表明:进水流道水力损失较小但是能够影响着水泵性能的发挥,竖井与轴伸进水流道出口的面积加权均匀度分别为92.8%、95.2%,1.25倍设计流量工况下,叶轮的效率在竖井内比在轴伸贯流泵装置内效率最多低1.3%。出水流道的水力损失较大并影响着泵装置的性能曲线,轴伸与竖井出水流道水力损失最大值出现在0.59倍设计流量工况点,此时轴伸出水流道内水力损失值为0.459 m,竖井直管出水流道内水力损失值为0.741 m,轴伸贯流泵装置效率比竖井高了3.5%。算例中扬程以1.27 m为分界线,扬程低时竖井贯流泵装置整体性能较好,扬程高时轴伸贯流泵装置性能较好。该研究可为低扬程泵站的选型提供参考。     

交错叶片对三通道蜗壳离心泵水动力性能的影响

为改善筒袋泵水动力性能,基于SST k-ω湍流模型,对立式筒袋泵首级叶轮进行三维非定常数值模拟,采用时-频域数据处理法,对各个监测点的压力脉动进行分析,主要研究了同一叶轮模型下蜗壳不同截面的压力脉动情况及不同交错角对离心泵内压力脉动和径向力的影响。结果表明:在三隔舌三通道蜗壳内,每隔120°压力脉动情况相似;随着交错角度的增加,距离隔舌较近且顺着叶片旋转方向的监测点压力脉动下降最多,压力脉动标准差下降了85%以上;叶轮所受径向力最多下降了60%;叶片交错后液体在轴向方向上会更容易产生流动,导致流动损失但有助于平稳蜗壳内的压力。综上所述,采用交错叶片有助于提高筒袋泵水动力性能。该研究为交错叶片结构在筒袋泵中的应用提供了参考。     

轴流泵装置导叶出口水流速度环量对出水流道水力损失的影响

为了定量研究大型泵装置导叶出口水流的速度环量对出水流道水力性能的影响,提出了泵装置导叶出口断面水流的速度环量定量表示方法和平均角速度的测量方法,分别采用数值计算和模型试验的方法研究了导叶出口水流的剩余环量对虹吸式出水流道和直管式出水流道水力损失的影响。结果表明:导叶出口水流的环量对出水流道水力损失的影响较为明显,存在使出水流道水力损失最小的最优环量,虹吸式和直管式出水流道的最优环量分别为0.972和1.308 m2/s;虹吸式出水流道和直管式出水流道最优环量时的水力损失计算值较零环量时的水力损失计算值分别小0.126和0.180 m。研究结果不仅有助于改进低扬程泵装置出水流道的优化水力设计,同时对改进轴流泵导叶的优化水力设计也有重要意义。     

双向潜水贯流泵装置性能试验与数值分析

该文针对城市防洪排涝泵站的特点,研发了2套双向潜水贯流泵装置,并采用CFD(computational fluid dynamics)技术计算了双向潜水贯流泵装置的内流场,分析了灯泡体段对泵装置正反向运行的影响,包括灯泡体段的水力损失、导叶体内部的流态及"S"形叶轮的水力性能,并经试验验证分析了数值计算结果的有效性。计算结果表明,反向运行时导叶体内部流态较好,反向运行工况优于正向运行;正向运行工况流量为4和5m3/s时,导叶体内均出现涡旋;灯泡体支撑件对"S"形叶轮的水力性能影响极小,但对泵装置水力性能影响较大;正向工况时"S"形叶轮所受轴向力小于反向工况。通过泵装置模型性能试验比较了2套泵装置的综合水力特性指标,并给出了供参考的潜水贯流泵装置的结构尺寸,其中导叶体扩散角为3°,灯泡体长度为2.43D、灯泡体直径为0.46D、泵装置总长为13.45D(D为叶轮名义直径),灯泡体采用流线型尾部及5片支撑件。     

机电一体化轴流泵间隙泄漏流流动特性

为研究机电一体化轴流泵间隙泄漏流对泵内流场结构的影响规律及机制,该研究基于RNG k-ε湍流模型,利用ANSYS CFX仿真软件对该泵进行不同流量工况(1 674～2 510 m³/h)的全流场瞬态数值模拟。具体分析该泵压力、湍动能和涡量场分布情况,研究转子摩擦损耗和泄漏量随流量变化的关系,并揭示径向速度和叶轮效率的变化规律,明确机电一体化轴流泵的泄漏流流动特性。研究结果表明：在额定工况(2 092 m³/h)下,机电一体化轴流泵电机转子外壁面的机械摩擦损耗扭矩占泵总扭矩的19.1%,且占比随流量的增加而增大;流体流经该泵电机定转子间隙并泄漏回流至叶轮入口,形成射流,使得叶轮入口轮缘位置存在明显的径向流动。该流动导致叶轮流道内径向系数为0.9～1.0的近轮缘位置出现高湍动能、强涡量区域,引起该区域水力损失增大,水力效率降低,且流量越小,影响越为显著。因此,机电一体化轴流泵节能设计的重点在于电机与叶轮协同设计,在满足水力性能的前提下尽可能降低转子摩擦损耗以及间隙泄漏流流动对叶轮进口流场结构的破坏。研究结果可为机电一体化轴流泵的研究及性能提升提供...     

大型泵站进水流场组合式导流墩整流效果分析

大型泵站前池和进水池经常存在表面旋涡和附壁涡,从而影响水泵运行稳定性。而由于大型泵站的尺度大,单一型式的导流墩很难改善这类泵站的进水流场。该文以广东省永湖泵站为研究对象,采用数值计算和现场测试相结合的方法,研究了组合式导流墩在改善大型泵站前池、进水池流态方面的效果,构建了由八字型导流墩、川字型导流墩和十字型消涡板相结合的组合式导流墩。三维流体动力学计算发现,组合式导流墩利用前端的八字型导流墩降低前池扩散角,减弱前池大尺度表面旋涡,借助后续的川字型导流墩调整流动均匀度,将水流均匀导入进水池,再通过水泵吸水喇叭管下部的十字型消涡板去除水泵吸水喇叭管周边的附底涡,提高流速分布均匀度,经计算喇叭管底面、水泵进口断面流速分布均匀度分别提高了7.8%、10.6%。实际测试表明,组合式导流墩将水泵最大压力脉动降低17.1%,将水泵振动由D区降低到C区,达到水泵技术标准规定的振动要求,保证了泵站的安全稳定运行。该研究对大型泵站建设提供了参考。     

肘形进水流道对立式轴流泵水力性能影响的数值模拟

为定量研究肘形进水流道对轴流泵水力性能的影响，实现性能预测，该文采用雷诺时均N-S方程和标准 紊流模型，数值模拟了某肘形进水流道和轴流泵联合运行时的三维流场，获得了水泵的流量～扬程曲线、流量～功率曲线和流量～效率曲线，并与设计进水条件下的水泵性能进行了对比。在该肘形进水流道提供的进水条件下,在计算流量范围内，泵的扬程和效率分别平均下降约8.62%和5.74%，轴功率平均增加约3.56%，最优工况点效率降低了5.99％，流量减少了8.59％。通过5个肘形进水流道设计方案的计算对比发现，流道出口水流的偏流角与水泵性能的发挥密切相关，在相同流量下，水泵效率差值达4.34%。因此，为确保水泵高效、安全地运行，应重视进水流道水力设计优化和面向对象的水泵设计，改善水泵进水条件，减少进水流道对水泵水力性能的影响。     

颗粒体积浓度对半开式叶轮离心泵泄漏涡和磨损的影响

固液两相流条件下半开式叶轮离心泵中颗粒冲击、泄漏涡发展和颗粒轨迹之间存在紧密交互作用,导致过流部件的磨损行为复杂多变。该研究结合双向耦合欧拉-拉格朗日方法和颗粒磨损Finnie模型,对不同颗粒体积浓度下半开式叶轮离心泵固液两相流场进行求解,分析了颗粒体积浓度对泄漏涡结构特征、颗粒运移轨迹和磨损特性的影响,揭示了颗粒体积浓度、叶顶间隙泄漏涡和过流部件表面磨损规律的关联机制。结果表明：随着颗粒体积浓度的增加,颗粒的频繁撞击加剧了叶片压力面进水边和后盖板磨损程度,叶片吸力面出水边的磨损范围向进水边方向延伸;颗粒体积浓度小于1%时,颗粒的轴向运动和叶顶间隙泄漏涡的阻碍作用导致颗粒易与叶片前缘靠近叶根处和吸力面出水边靠近叶顶的区域发生撞击,诱发严重磨损,且呈现点状磨损;当颗粒体积浓度大于3%时,叶轮后盖板的整体磨损强度大于叶片,颗粒体积浓度的增加造成流入叶顶间隙层的颗粒数增加,颗粒对叶顶间隙泄漏涡的冲击导致涡流的破碎、分离、再融合,加剧不稳定流动,泵的扬程和效率均明显下降。该研究可为固液两相半开式叶轮离心泵优化设计和安全稳定运行提供理论参考。     

潜水贯流泵装置过流部件水力性能分析与优化

为研究潜水贯流泵装置过流部件的水力性能,该文采用CFD方法对潜水贯流泵装置进行数值计算,分析了不同过流部件形式对泵装置内水力性能的影响,并对计算结果进行试验验证。结果表明:潜水贯流泵装置灯泡体支撑片的数量会影响导叶与支撑片之间的水流流态,支撑片的数量应与导叶片数一致。潜水贯流泵装置宜采用椭球体的灯泡体尾部形式,能避免回流、脱流等不良流态的产生。采用流线形进线孔,并且将进线孔与支撑片结合在一起,能改善出水灯泡体的流态,提高装置效率。在闸门槽间的进水流道过渡形式宜采用渐缩方管式。优化后泵装置在最优工况点的效率提高2.5%,达到78.0%。在最高效率点,数值计算预测扬程和流量的不确定度均小于1%,试验与数值计算结果吻合较好。该研究可为潜水贯流泵装置在实际工程中推广应用提供参考。     

离心泵压水室内部定常和非定常流动PIV测量

为研究离心泵压水室内的流动特性,利用PIV技术在内同步和外同步模式下分别测量了其内部的定常和非定常流场,详细分析了压水室内部流动现象和流动规律。结果表明,压水室内速度沿轴向分布均匀,随圆周角增大而减小;在叶轮和压水室的交界处,存在清晰的速度分界线;受蜗舌的分流作用,部分流体回流入叶轮流道,扩散管入口处速度显著降低;压水室内部周期性非定常流动规律明显,第VIII断面上,速度的大小和波动幅度沿径向均呈减小趋势,周向速度的波动与叶轮流道内部高速流区的位置有关,而径向速度的波动主要受叶片干扰和哥氏力的影响。研究结果为压水室设计以及离心泵内部流动的试验研究提供了借鉴。     

轴流泵叶轮出口轴面速度和环量的试验研究

为了研究系列高效轴流泵叶轮出口轴面速度和环量分布规律,设计了叶轮出口流场测量装置。基于流体绕流圆球理论,采用微型五孔探针对高效轴流泵叶轮出口轴面速度和环量进行了试验测量。试验结果表明,在最优工况下,系列高效轴流泵模型叶轮出口轴面速度呈二次抛物线流型,其最大值出现在叶片中部,且轮缘侧较小的轴面速度提高了汽蚀性能;系列高效轴流泵叶轮出口呈非线性环量分布规律,在轮毂侧环量稍小,在叶片中部较为平直,在轮毂侧环量降低至中部的0.8倍左右,而轮缘侧增大至1.2倍左右;同时叶轮出口轴面速度分布呈现抛物线流型,叶片中部速度最大。测量的轴面速度和环量分布数据拟合成多项式数学模型,可为轴流泵叶轮水力设计提供参考。     

混流式水轮机主轴中心孔补水对尾水管性能的影响

混流式水轮机在低负荷工况下运行时,尾水管内出现旋转的偏心涡带,会引起强烈的压力脉动和振动,严重威胁厂房的安全。为了使机组稳定运行,该文提出了一种通过从上冠泄水锥引入高压补水的方法来降低尾水管的不稳定性。该文首先采用商业软件CFX16.0,对某电站混流式水轮机在低负荷工况下进行了可靠而准确的全三维非定常数值模拟,结果表明在该工况下尾水管内部存在明显的偏心涡带,并伴随着振幅较大的压力脉动,这与试验结果相吻合。其次,对该工况下不同补水流量进行了数值模拟计算,研究表明:尾水管内补高压水可以有效降低尾水管内部的流动损失,且随着补水量的增加而越小,但过大的补水量会引起叶片正背面压力的降低,影响水轮机的空化性能,故补水量的大小必须综合考虑;主轴中心孔高压补水可以增加转轮出口的轴向速度,从而改变涡带内速度场的分布,可有效消除回流现象,当补水流量过小时,抑制回流作用不明显;当补水量为进口流量1%时,尾水管内部压力脉动振幅变化不大,改善效果不明显;当补水量为进口流量3%时,尾水管内部涡带由双螺旋变成单螺旋,锥管段压力脉动振幅不减反增,不稳定性有所加剧;当补水量为进口流量5%时,尾水管内部压力脉动振幅从18.4%降低至1.63%,同时改变了压力脉动的主频,使其远离转轮主频,避免发生共振,提高了机组的稳定性。