带诱导轮的离心泵空化条件下的效率下降规律

为定量研究空化对离心泵能量转换过程的影响,从流道内空泡分布和叶片载荷分布两方面探讨了离心泵效率下降的规律.基于RNG k-ε湍流方程和Rayleigh-Plesset空化模型对带诱导轮的离心泵的空化流动进行了数值模拟,获得了空化条件下影响离心泵效率下降的主要因素,包括扬程、功率及装置净正吸头等,并重点讨论了功率的变化对效率的影响.通过绘制叶片静压分布曲线分析离心泵效率及功率的变化趋势.结果表明：空化对叶片进口和叶片吸力面的压力影响很大;空化发展的过程中,功率的变化可分为3个过程,即功率下降段、功率上升段及迅速下降段;由于功率的下降没有扬程下降剧烈,泵总效率呈下降趋势;根据静压分布曲线及空泡分布图可以发现,叶片靠近后盖板的区域比靠近前盖板区域的空化严重,这也是叶片上不同位置处载荷差异的原因.     

口环间隙对诱导轮离心泵空化流动和性能的影响

为了研究口环间隙对前置诱导轮离心泵空化性能的影响,基于RNG k-ε湍流模型和Rayleigh-Plesset方程均相流空化模型,以前置诱导轮离心泵为研究对象,选取口环间隙为0.15,0.25,0.40和0.60 mm这4种方案对其进行空化流动数值计算,并与试验结果对比分析.研究结果表明,口环间隙大小对诱导轮离心泵的外特性和空化性能影响较大,随着口环间隙的增大,总扬程效率和叶轮扬程效率均减小,与口环间隙为0.15 mm时相比,总扬程效率和叶轮扬程效率分别降低了0.60%和4.21%,效率分别下降了6.50%和9.32%;而口环间隙的增大使得诱导轮扬程和效率均增加,分别增大了29.86%和28.40%.另外,随着口环间隙的增大,空化性能曲线出现波动现象,间隙越大,波动越明显;离心泵主叶轮工作面靠近前盖板出现云状空泡分布,空化不稳定,间隙越大,空化越不稳定,临界空化数越大.经分析,引起空化不稳定性的因素可能有: 口环间隙出口处泄漏高压流体对主流的冲击;口环附近空化的发生以及诱导轮空化引起叶片出口液流角的变化.     

离心泵叶轮进口空化形态的试验测量

为研究离心泵叶轮进口部分的空化形态,以一台中等比转数离心泵为对象,在泵进口管路上增加全透明水箱,基于泵产品智能测试系统和图像采集系统,在离心泵闭式试验台上对3种不同流量下叶轮进口的空化形态进行可视化试验研究.试验结果表明:空泡首先在模型泵叶片背面进口边附近初生,空泡的产生位置因运行工况不同而变化;随着装置空化余量NPSHa的下降,多个叶片背面有空泡产生,并随着叶轮的转动,呈现明显的初生、生长和溃灭的动态过程;当泵扬程下降较大时,空泡的分布随叶轮转动变化不大,且靠后盖板一侧的空泡分布小于靠前盖板一侧.     

基于平衡孔偏移的离心泵空化性能改善研究

为了改善离心泵的空化性能,提出将平衡孔位置移至靠近叶片背面的方法。采用RNG k-ε湍流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型,对不同空化数下平衡孔偏移前后的模型空化流场进行了数值计算与分析,结果表明:与原模型泵试验值相比,平衡孔偏移后,扬程、效率均有所下降,扬程降低幅度在4%之内,效率降低幅度在5%以内;在1. 2Q_e、Q_e及0. 8Q_e流量下,平衡孔偏移后临界空化数均有所降低。平衡孔偏移改变了叶片背面静压低压区的分布,降低了叶片背面低压区流速,同时降低了流道内湍动能,提高了离心泵的空化性能;平衡孔偏移可以有效减小流道内空泡体积分数,改善叶轮流道内的流动条件,减弱空泡对流道的堵塞程度;平衡孔偏移后在一定程度上减小了轴向力,改善了离心泵受力状态。     

卧式轴流泵空化特性的数值分析

轴流泵内部的空化现象是影响叶轮能量转换,导致轴流泵扬程、效率等性能下降的重要原因.为了研究轴流泵内部的空化现象,以轴流泵TZX-700为研究对象,该型号轴流泵相较于一般的轴流泵无后置导叶.为了验证数值计算结果的准确性,对该卧式轴流泵分别进行了试验研究和数值模拟,试验曲线和数值计算曲线基本吻合.在设计工况和小流量工况下进行全流道数值模拟,对其空化特性曲线、叶片吸力面和压力面的静压分布以及空化体积分数分布进行分析.结果表明:当进口压力为101.325 kPa时,在叶片的吸力面就已经发生空化;在叶片压力面,当有效空化余量NPSH_a下降到临界空化余量NPSH_cr=7.79 m时,靠近进口边的叶顶处开始产生少量的空泡;随着NPSH_a的下降,叶片表面的空化区域进一步增加,对叶轮内的流场产生明显的影响,导致扬程急剧下降;在同一轴流泵进口压力下,小流量工况下叶片表面的空化区域相较于设计流量工况进一步扩大,由靠近轮缘的进口边向出口边和叶根处发展,空化现象更为严重.     

离心泵叶片表面布置障碍物抑制空化的数值模拟与实验

以一台比转数为32的低比转数离心泵作为研究模型,提出了一种在叶片工作面加障碍物的方法来抑制空化初生及发展的方法。在不同空化数下,采用修正的SST k-ω湍流模型和Kubota空化模型对模型泵叶片表面在有、无障碍物条件下进行三维非定常数值模拟,结果表明:低比转数离心泵在有障碍物运行时扬程下降在5%以内,效率下降在3%以内,设计点扬程下降3%,效率下降1.2%。障碍物可以有效增大叶片近壁湍动能,改变压力分布,对离心泵内各个阶段空化均有抑制作用。障碍物可以优化流场结构,削弱靠近叶片背面的旋涡强度,对靠近隔舌区域的叶片工作面和背面作用效果明显。有障碍物时离心泵叶轮内空泡体积在空化各个阶段均小于无障碍物时叶轮内空泡体积,在空化发展阶段,障碍物使空泡体积持续衰减。空泡尺度发展到障碍物位置时,障碍物可以较大程度减低压力脉动主频幅值,对流场优化产生最佳效果,在空化发展其他阶段,障碍物会对叶轮内压力脉动造成小幅扰动。     

叶片数对离心泵小流量工况空化特性的影响

为研究小流量下离心泵的空化特性,采用ANSYS CFX 14.5,基于k-ε湍流模型和Rayleigh-Plesset空化模型,以3种叶片数叶轮的IS50-65-160型离心泵为研究对象,对其内部空化流动分别进行了数值模拟。为了提高数值计算准确性,进行了网格无关性分析,且从泵空化性能、叶轮所受扭矩及轴向力分析了叶片数对泵小流量下空化特性的影响规律。研究结果表明:当叶片数从4增加至8时,离心泵扬程增加,但其效率变化较复杂。小流量工况下,随着空化系数降低,各叶片数叶轮扭矩与泵扬程均不同步地发生陡降,且出现相似地匍匐下降规律;当扬程下降3%后,各叶轮所受轴向力的大小几乎恒定;单个叶片流道的空泡体积出现突增,明显较其他叶片流道大,各叶片流道空泡分布极不对称。研究发现,离心泵扬程及扭矩匍匐下降特性很可能与不对称叶片空化相关。     

诱导轮离心泵空化条件下扬程下降分析

以空化条件下离心泵的扬程下降为切入点,基于RNGk -ε湍流方程和Rayleigh-Plesset空化模型研究带诱导轮的离心泵空化流动,获得了空化条件下离心泵流道的空泡分布及扬程下降规律,分析结果表明,空泡发展至诱导轮的喉部时,扬程开始下降;随着压力的降低,空泡首先出现在叶轮进口,并逐步发展至整个流道,进而影响离心泵的内部流动及能量转换;空化同时会引起局部流道的压增现象,压增的位置随空化强度的增大向下游流道移动.验证了诱导轮可以改善泵的空化性能,它能抑制空泡在主叶轮内的扩散,使空化仅造成主叶轮叶片进口处压力的缓慢下降,而主叶轮的扬程并未明显下降.     

离心泵内部空化流动的数值预测

为了研究离心泵内的空化流动,将完整空化模型和混合流体两相流模型相结合,对比转速为95的离心泵叶轮在设计工况下的空化流动进行数值模拟.介绍了空化流动的模拟方法,通过计算获得了叶片表面压力分布,并得出了该离心泵的有效空化余量一扬程落差特性曲线,有效地预测了流道内空蚀发生的部位和发展情况.结果证明,叶轮内空化区域的增长使离心泵的扬程下降,影响到泵的运转特性;当泵内发生少量空泡时,不会影响到外特性的变化,而当空泡大量发生时,会堵塞流道,使液流连续性破坏,性能下降,这与理论结果基本吻合,计算值与规定值的误差在5%以内.数值模拟计算方法较好地模拟了离心泵内的空化两相流的静态特征.     

叶片缝隙引流对高速诱导轮性能的影响

为了研究叶片缝隙引流对高速诱导轮性能的影响,以1台带前置诱导轮的高速离心泵为研究对象,就诱导轮叶片设置5种不同缝隙下高速离心泵内部流场进行数值模拟,研究诱导轮叶片缝隙引流对其自身及高速离心泵性能的影响.对比分析了开缝后诱导轮截面内速度分布、诱导轮外特性曲线、高速离心泵空化特性曲线、诱导轮流道内空泡分布以及诱导轮沿轴向位置各截面静压分布规律.结果表明,叶片表面设置缝隙可减弱诱导轮叶顶间隙泄漏流对管道壁面的冲击,削弱叶片进口边吸力面附近的旋涡,改善该区域的流态;缝隙可改变诱导轮流道内压力的分布,从而影响诱导轮流道内的空泡的分布,且合理设计缝隙的大小可使高速离心泵的空化性能得到改善.     

双蜗壳离心泵空化流动对隔舌处压力脉动特性的影响

应用数值计算方法分析了双蜗壳离心泵内空化流动影响隔舌部位压力脉动特性情况,以进一步明晰空化流动诱导泵振动噪声机理.采用SST k-ω湍流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型,对设计工况下的泵内空化流动和无空化流动进行了非定常数值模拟,数值模拟结果表明:SST k-ω湍流模型能准确预测双蜗壳离心泵的能量特性指标;泵内空化的空泡初始产生于叶轮叶片进口吸力面根部,随着装置空化余量的降低,空泡云沿着叶轮叶片吸力面向叶片出口和前盖板方向发展,叶轮内部空泡的发展并不均匀,加剧了叶轮内部流动的不稳定性.对比叶轮旋转一周在空化和无空化流动状态下发现,2个隔舌处各个监测点的压力脉动具有明显周期性,在无空化状态下,隔板进口处监测点的压力脉动主频为2倍叶频,其他监测点压力脉动主频均为叶频;空化状态下2个隔舌处各个监测点的压力脉动主频均为叶频,压力脉动幅值明显增大.     

反应堆冷却剂模型泵空化性能数值模拟与试验

为研究CAP1400核主泵事故工况下的空化性能,采用标准k-ε模型和 Mixture模型,开展了CAP1400核主泵1∶2.5模型泵的整机空化数值模拟.分析了模型泵空化初生时的空化特性和不同空化余量下叶轮内空化发展规律,以及叶片中间流线上的载荷特性,并采用砂铸叶轮、精铸铝制叶轮与砂铸导叶结合开展了模型泵性能的试验研究,结果表明：蜗壳与叶轮的相对位置对叶轮内空泡体积分布具有一定的影响,靠近蜗壳出口的叶片吸力面空化更加严重,空化的排挤效应改变了叶片进口附近的液流角并导致压力面前缘出现空化;空化对叶片载荷影响较大,发生空化后叶片载荷在沿流线吸力面空泡结束的位置附近会出现极大值,且叶轮内空化区域的不均匀分布加大了不同叶片之间的载荷差异,靠近蜗壳出口的叶片沿流线压力载荷的极大值最大;叶轮的制造精度对泵的空化性能有较大影响.     

CAP1400核主泵空化特性数值研究

针对CAP1400核主泵事故下的空化问题,在对核主泵进行水力设计及三维造型的基础上,采用CFD技术对核主泵的空化问题进行定常数值模拟,并分析了正常工况、空化初生、临界空化、严重空化和断裂空化等5个阶段核主泵叶片背面气相体积分数、叶片间气相体积分数及叶片间介质温度的分布特性.计算结果表明:核主泵空化首先发生于叶片背面靠近前盖板一侧并向叶片工作面、后盖板方向发展;临界空化与严重空化阶段气相体积分数在叶轮流道相对位置S=0.35~0.45时增长趋势相同,S=0.45~0.50时相对平缓;叶片间由于相变导致的两相之间的热传导在两相界面附近的液相中形成温度梯度,空泡内气相介质的温度低于附近液相介质的温度,两者温差随空化的发展而增大.     

空化条件下轴流泵叶轮静应力特性

空化特性和应力特性是轴流泵稳定运行的有力保障,研究空化条件下的应力特征具有重要工程意义。以轴流泵为研究对象,通过顺序流固耦合方法,将该轴流泵内部稳态空化流动的CFD分析结果作为主要力学边界条件,采用有限元方法,对未发生空化、空化初生和空化严重情况下的叶轮应力特性进行了分析。结果表明,轴流泵叶轮最大等效应力均发生在叶片靠近出口边的叶片根部位置;未发生空化和空化初生情况下,应力分布基本一致,最大等效应力值约36 MPa,当空化严重时,高应力区域较前两种情况缩小。取不同截面对叶片内部应力分布进行分析,发现空化严重时,压力面区域根部两端存在高应力区域,向叶片中部递减;而吸力面则仅在出口边一侧存在高应力区域。叶片压力面根部交线上应力分布随空化发生、发展分布趋势基本相似,但是吸力面根部交线上分布将由近似直线分布变为抛物线分布。      

离心泵内部空化特性的CFD模拟

基于ANSYS CFX软件应用标准k-ε湍流模型、均质多相模型和Rayleigh-Plesset方程,对一比转数为94的离心泵在不同工况下其内部的空化特性进行数值模拟.根据模拟结果预测了模型泵无空化时的能量特性和发生空化时的空化性能,分析了不同空化状态下叶轮中间流面内的空泡分布和叶片中间流线上的载荷特性,并与试验结果进行对比.结果表明：预测结果具有一定的精度,模型泵在3个工况下空化余量的绝对误差分别为0.25,0.29和0.06 m.流场分析表明：随着进口总压的降低,空泡首先在叶片背面进口边附近产生,然后沿流线向叶轮出口扩散,并随着流道过流面积的增加向叶片工作面扩展;与其他叶片相比,正对蜗壳隔舌叶片中间流线上的载荷最小.随着泵空化程度的加剧,除正对蜗壳隔舌的叶片外,其余叶片上相对位置为0.35～0.80处的载荷明显增加,说明空化对叶片载荷有较大的影响.     

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.     

蜗壳式混流泵空化特性分析

基于Rayleigh－Plesset空化模型和剪切应力输运湍流模型(SST),应用计算流体动力学(CFD)技术,对比转速ns=449的蜗壳式混流泵设计工况下的流场进行数值模拟．根据模拟结果获取了该泵的空化特性曲线,捕捉到混流泵内空化的发生和发展过程,对开始发生空化、临界空化和空化严重3种工况下叶轮内的空化现象进行分析．分析结果表明:该泵空化性能满足设计要求; 混流泵叶轮内的空化现象最初发生在叶轮流道内,随着净正吸头的降低,叶片背面靠近轮缘处开始出现空泡,该空化区域从轮缘向轮毂方向延伸．在空化严重时会造成叶轮流道的严重堵塞,导致混流泵扬程的下降.     

导叶开度对混流式水轮机转轮叶片表面空化性能的影响

由于在一些中小型水电站中,其水轮发电机组的转轮叶片表面常常会发生空化现象,较大程度地影响了机组的安全可靠运行。从某水电站的转轮叶片空化问题出发,首先对该混流式水轮机进行三维建模,然后进行全流道数值模拟,分别对不同导叶开度下转轮叶片表面压力、空泡体积分布规律进行分析。研究发现:随着水头的增加,吸力面低压区面积进一步扩大。特别是40%开度时叶片吸力面低压区面积增大最多,且随着水头的继续增加,低压区有向叶片中部移动的趋势;同时在40%开度下叶片表面空化受水头影响较大,而在100%开度下叶片表面空化受水头影响并不大,但随着导叶开度的增大,叶片表面越容易发生空化,特别是叶片吸力面出水边靠近下环处空化更明显。研究结果可为该水轮发电机组的安全稳定运行提供理论参考依据。