固液两相流离心泵流动特性及磨损问题研究进展

由于离心泵应用场合广泛,时常输送含有固体颗粒物的流体介质,固液两相流成为离心泵内流动特性研究的一个常见问题.固相介质的加入,导致扬程和效率的下降,甚至造成泵内壁面严重的磨损,对离心泵的运行性能产生较大的影响,降低了离心泵的持续运行寿命.基于以上问题,国内外学者通过理论分析、试验研究以及数值模拟等方法,对离心泵固液两相流问题开展了大量研究,基本掌握了颗粒在离心泵内的运动分布规律及其对过流部件的磨损情况.颗粒的粒径、密度、体积分数以及离心泵的运行工况都将对泵内固液两相流动产生较大程度的影响.文中从固液两相流动特性和磨损问题这2方面介绍了离心泵固液两相流动的研究现状,并综述了主要研究方法和研究成果,为进一步优化水力及结构设计、提高固液两相流离心泵的性能和可靠性、改善磨损状况提供了一定的参考及研究基础.     

混输泵小流量工况的空化特性

为改善混输泵在小流量工况下的水力性能,采用基于均相流假设的多相流模型和Rayleigh-Plesset方程,应用标准k-ε湍流模型,对混输泵小流量工况全流道空化流场进行数值模拟,分析几种典型空化工况下混输泵的输运性能以及在不同工况下叶轮内部空泡的分布规律,最后根据模拟结果预测混输泵的能量特性并与试验结果作对比分析,从而在一定程度上验证了数值模拟的可靠性.研究结果表明:在小流量工况下,叶片进口绕流和动静干涉对叶轮内的流动分离产生较大的影响,同时旋涡形成的低压区会加剧进口空化、降低泵的混输性能;从初生到深度空化发展过程中,空化首先发生在叶片进口和靠近中间位置,在叶片背面进口的空化程度较严重,越靠近轮毂空化程度越严重,甚至阻塞流动,加剧叶轮内相态分离.该研究结果为混输泵的进一步优化设计、性能改善及实验研究提供理论依据.     

平衡孔直径对离心泵叶轮进口流态的影响

为研究平衡孔直径对离心泵叶轮进口流态的影响,在降速后的IS80-50-315型离心泵上,用平衡孔直径d分别为0,4,6,8,10 mm的同一个叶轮,对离心泵的扬程、效率和轴功率进行预测,研究泵在设计工况、不同平衡孔直径时叶轮进口处速度矢量和压力的分布情况,并监测叶轮进口处的压力脉动特性.结果表明:加大叶轮平衡孔直径,泵的扬程与效率下降、轴功率提高,且在小流量工况下泵扬程变化更为明显;随着平衡孔直径的增大,平衡孔内液体流速减小,对叶轮进口流体的冲击作用逐渐减弱,叶轮进口处压力变得均匀,在一定程度上改善了泵的抗汽蚀性能;随着平衡孔直径的增大,叶轮进口主流区的压力脉动幅值减小,在一定程度上稳定了压力脉动幅值的变化,改善了其不稳定特性;平衡孔直径增大时,叶轮进口区平均静压变化逐渐稳定.研究成果为离心泵叶轮平衡孔直径的选择提供了参考.     

叶片开缝对单叶片泵径向力的影响

为了改善单叶片泵的运行特性,降低径向受力不均匀性,采用数值计算与试验相结合的方法分析了单叶片离心泵径向力的动态特性.研究了3个不同流量工况(0.6Q_d,1.0Q_d和1.4Q_d)下径向力的变化规律,结果表明,单叶片离心泵叶轮叶片工作面与背面所受压差是径向力产生的主要原因,并在小流量工况下径向力达到最值.通过对试验与数值模拟结果的分析对比,提出了平衡单叶片泵径向力的新方法-叶片开缝,并在叶片包角方向上选取3个不同位置(0°,90°和270°)布置宽度为1.0 mm的缝隙,分析了不同开缝位置对径向力及泵外特性的影响情况.结果表明:当在叶片尾缘开缝时,对泵的外特性影响较小,并可以较大降低单叶片离心泵叶片工作面和背面的压差,减小叶轮径向受力情况,提高单叶片泵的可靠性和使用寿命.     

从离心泵设计中考虑可靠性

本文针对离心泵,特别是低比速离心泵轴功率曲线随流量增加上升很快的问题,进行了研究和讨论,指出了其可能的研究途径。研究结果表明,低比速泵在大流量工况区运行时不会产生过载,更不会因过载而烧坏原动机,从而提高了泵运行的可靠性。     

基于BP神经网络的立式离心泵导叶与蜗壳优化设计

立式离心泵是大型灌溉和长距离调水工程的核心动力装备,单机配套功率能够达到40 MW级。为了降低立式离心泵的运行能耗,以效率指标为优化目标,基于BP(反向传播)神经网络模型与多岛遗传算法对其多个过流部件进行优化设计。考虑到各过流部件的匹配性,采用Plackett-Burman试验设计从导叶与蜗壳的10个设计参数中筛选出优化设计变量。运用最优拉丁超立方采样方法设计了106组方案,并搭建了立式离心泵自动数值模拟优化平台。基于BP神经网络模型构建了优化设计变量和优化目标之间的高精度非线性关系,最终通过多岛遗传算法得到导叶与蜗壳的最优参数组合。研究结果表明,运用SST k-ω湍流模型能够准确地预测立式离心泵的性能参数;BP神经网络是映射泵设计参数和性能参数间内在联系的有效方法;优化后模型设计工况下效率达到90.21%,较原始模型提高了3.61个百分点;优化后的导叶与蜗壳对立式离心泵设计工况和小流量工况下的性能影响更为显著;优化后导叶与其他过流部件匹配性提高,导叶与蜗壳内部流动特性得到明显改善。     

基于固液两相流的纸浆泵磨损预测

分别采用Euler-Euler和Euler-Lagrange两相流模型对离心式纸浆泵进行了数值模拟,考虑叶轮间隙流动,预测了泵的磨损特性.欧拉方法采用Particle两相流模型,壁面的磨损程度与固相体积分数和滑移速度相关.拉格朗日模型采用Finnie磨损预估模型.开式叶轮纸浆泵多个流量工况的计算结果显示,欧拉方法预测的叶片和前盖板在设计流量下磨损严重,压水室在小流量工况时磨损严重.拉格朗日方法显示叶片和前盖板的磨损最严重,磨损率随流量增加先增大后减小,压水室和后盖板的磨损率逐渐减小.2种模型预测的叶轮与前盖板磨损严重的现象与实际吻合;拉格朗日模型可定量分析磨损部位和磨损程度等特性.本研究为纸浆泵的两相流数值模拟和磨损特性研究提供了一定参考.     

离心泵泵腔内流动特征的数值分

为了分析离心泵在设计工况运行时叶轮盖板两侧泵腔内流场结构的特点,采用RNG kε湍流模型和多重参考系下的雷诺时均NS方程,对由叶轮通道、蜗室、泵腔和密封环间隙组成的计算域进行定常数值模拟.计算结果与试验结果吻合良好,证明了数值计算方法具有较高的可靠性.流场分析结果表明,泵腔内的流场分布具有非轴对称性,其流场结构比由转子定子组成的封闭壳体内的流场结构复杂得多,但二者的速度场沿轴向的变化规律相似.     

基于FLUENT的单-双涡室离心泵径向力分析

以某电厂3715L型脱硫泵为模型,应用商业软件FLUENT,采用标准k-ε湍流模型和SIMPLEC算法,对单-双涡室离心泵内部流场进行模拟,分析了这两种泵静压力和速度场的分布规律,并对径向力进行了计算分析.通过对比分析发现,单涡室离心泵在非设计工况点时隔舌两侧区域出现较大压差,作用于叶轮产生径向力,小流量时叶轮出口出现不对称的高速流体;双涡室结构能够有效地改善非设计工况点时压水室能量的转化,小流量时叶轮出口的高速液体呈对称分布,从而降低了压水室压差,起到了平衡径向力的作用;通过计算发现,偏离工况点时双涡室结构设计能有效地减小径向力.数值模拟的结果与现有理论的基本吻合,实际运行情况稳定,可以为更好地认识和设计双涡室离心泵提供依据.     

核主泵压力脉动及其改善方法研究进展

压力脉动是引起核主泵产生振动、噪声等不稳定现象的重要因素,严重的脉动会导致核事故的发生.随着核电事业的快速发展,为使核岛安全稳定运行,核主泵压力脉动的研究对核岛安全的意义变得极其重要.回顾近年来不同研究人员在核主泵压力脉动方面的相关研究成果,通过文献调查讨论了与压力脉动有关的研究,发现压力脉动产生因素主要是核主泵入流冲击、二次回流、动静干涉作用和气蚀等引起的流动紊乱,一般可以通过理论分析、数值模拟和模型试验的方法对核主泵压力脉动进行研究.最后,总结了近十年来核主泵在大、中、小流量工况、卡轴事故工况和失水事故工况时主泵内部各流道压力脉动研究情况,以及通过对叶轮、导叶和涡壳的结构优化改善核主泵内部流道压力脉动的方法.     

低比转数变工况离心泵的性能优化

为了提高低比转数变工况离心泵的全局效率,采用单独离心叶轮优化、单独蜗壳优化和叶轮与蜗壳整体优化3种设计方案,基于拉丁超立方抽样试验和模拟退火优化算法,利用数值模拟方法对流量比(最大流量/最小流量)为8的离心泵进行性能优化.研究结果表明:3种优化方案都能提高变工况离心泵的全局效率,其中蜗壳优化和整体优化获得的泵效率比较接近,而叶片优化方案的效果相对较弱,故开展低比转数变工况离心泵优化时,可以优先考虑对蜗壳结构参数进行优化设计;进行变工况离心泵水力设计时,为了提高离心泵整体效率,应使选取的设计流量稍微小于最大工作流量.     

离心泵多工况水力性能优化设计方法

基于全局优化算法和各项损失计算的离心泵能量性能计算模型,提出一种离心泵多工况水力性能优化设计方法.该方法以原始设计的关键几何参数值为初始条件、设计工况的扬程为约束条件、多个工况的加权平均功率最小为目标,同时采用自适应模拟退火算法对离心泵能量性能计算模型进行求解,采用超传递近似法来确定各目标函数的权重因子,并采用该方法对一比转数为129.3的离心泵进行了多工况优化,最后分别对原设计和多工况优化设计进行了数值计算,计算结果表明：0.6Qd和1.2Qd工况下,多工况优化得到的功率低于原始设计,而设计工况下,多工况优化得到的功率比原始设计略高;多工况优化得到的3工况点加权平均功率比原始设计低0.06%;多工况优化的3点加权平均效率则比原始设计高0.46%.研究结果对于离心泵的节能设计具有比较重要的参考价值.     

离心式注水泵站效率优化

为使离心式注水泵站运行组合更为合理,降低离心式注水泵站的能耗,研究了以功率最低为目标函数的离心式注水泵站优化问题,并得到了该优化问题的求解流程,且寻优结果包括各泵串并联方式以及各泵对应的转速.据以上研究内容,编制了离心式注水泵站优化软件,并针对某一油田注水泵站测试了该软件,所得结果为该注水泵站提供了改造方案,该泵站在此方案运行,具有功率最低的优点.研究结果表明:在某些工况下,离心泵的串并联及调速能使尽可能多的离心泵工作在高效区;利用完全枚举法进行针对某一工况下的泵组合寻优时,能将离散的泵组合寻优问题转化为方便求解的非线性规划问题,该非线性规划问题可利用Matlab中的fimicon函数求解.研究结果可为针对某一注水泵站的运行优化或改造提供参考方案.     

前置导叶预旋调节离心泵性能的数值预测与试验

在分析叶轮进口流态的基础上,给出了一种用于调节离心泵工况点的前置导叶水力模型设计方法,目的是通过减小离心泵在变工况条件下叶轮进口的冲击损失和回流损失来改善在非设计工况的水力性能,拓宽高效运行范围.基于SIMPLEC算法,通过数值求解Reynolds平均Navier-Stokes方程和RNG k-ε湍流模型方程,模拟了不同预旋角度下前置导叶离心泵全流道的三维湍流流场,外特性计算结果和试验数据吻合较好.在此基础上,分析了离心泵前置导叶预旋调节的基本规律及调节机理.     

基于Kriging模型与NLPQL算法的高比转数离心泵参数化设计

针对目前采用传统设计方法无法有效解决高比转数离心泵效率低的问题,以型号为100-80-125的高比转数离心泵为研究对象,基于Kriging模型对其叶轮子午流道盖板控制点参数和叶片型线参数进行了全面的敏感性筛选,并采用NLPQL算法对高比转数离心泵进行参数优化,以期提高其运行效率.对优化后的模型进行了数值计算,并通过试验对比了优化前后模型泵的运行效率.研究结果表明:在额定流量工况下,优化后泵模型的实际效率提高了3.2%,扬程提高了2.3 m;优化后未出现不利于铸造和加工的几何形状,优化效果较为显著.研究结果可为提高高比转数离心泵的效率提供了一种行之有效的方法.     

双吸离心泵叶轮交替加载设计方法

双吸离心泵内部的压力脉动是影响机组运行稳定性的关键因素之一。为了减轻压力脉动,分析了引起双吸离心泵压力脉动的主要原因,研究了不同类型的叶片载荷曲线对双吸离心泵流态的影响,建立了叶片加载方式、叶片出口倾角和叶轮交错角与泵内二次流及压力脉动的关系,提出了能够抑制二次流、降低压力脉动的叶轮交替加载设计方法。在新的设计方法中,叶片载荷曲线具有盖板前加载、轮毂后加载的混合加载模式。基于该方法所生成的双吸叶轮具有轮毂两侧交错布置、叶片出口边正向倾斜、盖板和轮毂包角差小的特点。通过在一大型引黄灌溉泵站的试验表明,该方法可将双吸离心泵压力脉动主频的幅值降低到原来的1/5左右,同时还可改善泵的最优效率和高效区。该方法为大功率双吸离心泵的优化设计和更新改造提供了一种新的技术途径。     

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.     

多源环状注水系统泵站运行方案与管网同步优化

为了最大程度地提高注水系统运行效率,对泵站运行方案与管网同时进行优化.针对多源环状注水系统,以泵的开停状态、流量和管线的连接状态、管径为优化设计变量,以运行能耗和管网投资费用最小为优化目标,考虑流量、压力、环状管网等各类约束条件,建立了多源环状注水系统运行方案与管网同步优化数学模型.针对该同步优化问题的特点,设计了双重广义染色体编码遗传算法对模型求解.泵的编码中,第1行采用二进制编码表示泵的开停状态,第2行采用实数编码表示泵的流量;管线的编码中,第1行采用二进制编码表示管线的连接状态,第2行采用整数编码表示管线的管径.实现了对各优化变量的精确表达,设计了与问题相适应的初始解产生及编码交叉、变异方法,避免或减少了不可行解的产生.并对实例进行优化设计,同步优化与仅进行管网优化对比,运行能耗降低了4.66%,管网投资费用降低了1.73%,表明同步优化的节能效果明显.     

超低比转数多级离心泵水力优化与性能试验

为提高现有超低比转数多级离心泵水力性能,基于ANSYS CFX软件,对多级离心泵内部全流场定常流动进行数值模拟,通过定义叶轮、泵腔、导叶扬程及效率,分别分析叶轮、泵腔、导叶内能量转换与流动损失情况,得到影响多级离心泵性能的主要因素为叶轮与导叶的匹配,次要因素为叶轮内的流动损失.提出取导叶喉部进口绝对速度为叶轮出口绝对速度的1/2计算导叶喉部面积,并逐步优化设计一流道式导叶,通过调整叶片型线消除叶轮流道内旋涡.优化后的叶轮与导叶各处速度变化均匀缓慢,大大降低了流动损失.将性能较优的模型进行制造和测试,测试结果表明,优化后方案的额定工况下扬程提高8.1 m,效率提高3.2%,达到了国家标准,取得了较好的优化效果.将数值模拟结果与试验结果进行对比,分析二者的差异,为进一步优化改进超低比转数多级泵的水力设计方法提供参考.     

遗传算法在水泵优化选型中的应用

以泵站年费用最小为目标函数，以水泵台数为优化变量，并考虑到供水流量随时间的变化过程，建立了水泵优化选型模型。针对水泵选型的特点，采用遗传算法对水泵优化选型模型求解。运用该方法，既可以提高计算效率，又可以在较大解空间范围内获得最优水泵组合方案，使得泵站年费用最小。