轴流泵马鞍区水力性能与压力脉动测试与分析

为了分析轴流泵在马鞍区工况的运行特性,对一轴流泵不同工况下的外特性和压力脉动进行了测试,重点分析了轴流泵马鞍区水力特性和压力脉动特性.试验结果表明:模型泵H-Q曲线在0.50Q_d~0.60Q_d内表现出明显的马鞍形,且扬程在马鞍区内0.55Q_d工况时达到最小值,较0.60Q_d工况扬程降低0.33 m,为设计工况下扬程的5.5%;叶轮进口和泵出口处压力脉动具有较为明显的周期性,单个周期内压力脉动表现出明显的4波峰4波谷特征;0.55Q_d工况时,叶轮进口处压力脉动峰峰值为设计工况的2.3倍;各工况下导叶中间和出口处压力脉动规律较为复杂;叶轮进口压力脉动主频为叶片通过频率,0.55Q_d工况叶频处的幅值最大,高于设计工况27.6%.小流量工况下,导叶中间、导叶出口处压力脉动在频域内出现较多低频信号,压力脉动频率成分较复杂.泵出口压力脉动主频在1.00Q_d工况下明显表现为叶频.研究成果可为轴流泵不稳定运行特性的优化提供参考.     

专用堆型对应的核主泵正反转流动数值模拟

为了研究核主泵在定转速工况下的正反转特性,采用相似换算法,基于SST k-ω 湍流模型与块结构化网格,对缩比系数为0.5 的核主泵模型泵进行数值模拟.定义流量从泵进口流向出口为“+”,反之为“-”.在正转工况下分别对-0.8Q_d到+2.0Q_d流量范围内的16个工况点进行计算、反转工况下对-1.4Q_d到+1.0Q_d流量范围内的14个工况点进行计算,得到其全特性曲线.计算结果表明:在相同流量工况下,核主泵正转时的扬程与转矩总是高于反转时的扬程与转矩,叶轮扬程与泵扬程存在不同的变化趋势;在正转工况下,在 -0.1Q_d到+0.4Q_d流量范围内,叶轮扬程曲线呈现反“N”型变化趋势;在反转工况下,在-0.4Q_d到+0.1Q_d流量范围内,叶轮扬程曲线呈一个明显的“V”型变化趋势;叶轮出口处产生二次流回流现象,这是正转小流量工况下叶轮扬程降低的主要原因,而叶轮与导叶之间过渡段区域内的环形高速带和叶轮流道内的大尺度涡是反转小流量工况下叶轮扬程降低的主要原因.     

混流泵启动过程空化特性的试验研究

为了研究混流泵在不同流量和不同进口压力工况下启动过程中的空化特性,采用不同的启动时间,对一台叶顶间隙为0.25 mm的混流泵模型的启动过程进行了高速摄影试验研究.主要研究了模型在4种流量(0.80Q_d,0.90Q_d,1.00Q_d和1.05Q_d)工况下,启动时间分别为10,15,20 s下的空化现象.试验结果表明:在混流泵启动过程中,初始阶段由于速度很小,压力没有达到水的气化压力,因此没有出现空化现象;当启动时间达到稳定点后,首先在叶轮叶顶处出现了空泡,随后扩散至叶轮流道,发生严重空化;在相同流量下,泵的进口压力越小(即空化数越小),空化发生的越严重;在进口压力和流量相同时,不同的启动时间下,模型泵在启动过程中,泵内的空化程度随着时间逐渐发展加剧,达到稳态时,空化最为严重.     

基于代理模型的混流泵多工况水力性能优化设计

为了拓宽混流泵高效区的运行范围,提高泵非设计工况下的水力性能,提出基于代理模型的混流泵多工况水力性能优化方法.由设计工况单点水力设计得到泵初始设计,并通过叶轮、导叶的参数化方法建立初始计算模型.以叶轮和导叶子午面形状参数以及叶片安放角为优化参数,设计工况下的扬程为约束条件,小流量工况、设计工况、大流量工况下最小效率最大化为优化目标.通过RBF代理型方法建立性能指标与优化参数之间的近似模型,利用CORS优化算法对近似模型进行寻优.根据泵流动特性,提出对子午面形状和叶片形状分步优化策略,有效解决了泵整机模型设计参数多、计算量大的问题.优化结果表明:在0.8Q_d,1.0Q_d,1.2Q_d工况下,泵水力效率分别提高了2.2%, 0.8%和0.7%,扬程均满足约束条件并稍有提高,泵效率曲线较初始设计明显变宽;泵内流场速度分布更加均匀,优化效果明显.     

基于流热固耦合的高温熔盐泵转动系统结构应力分析

基于ANSYS Workbench平台开展高温熔盐泵转动系统的结构应力分析,采用计算流体动力学软件CFX对泵内部全流场进行多工况定常数值计算,并通过试验对计算结果进行验证.综合考虑了高温熔盐泵的水动力载荷、离心力载荷、温度载荷等因素,建立了流、热、固耦合作用下动力学模型,研究不同温度下不同材料属性变化对高温熔盐泵结构性能的影响,并对高温熔盐泵转子部件进行应力分析.结果表明:在同一流量工况下,不同材料的叶轮叶片最大变形量均呈随温度的升高呈先增大后减小的趋势;同时,不同材料的叶轮形变程度基本趋于稳定,受流量影响不大;叶片工作面应力值大于叶片背面应力值,且不同温度工况下不同材料的叶轮背面应力值呈线性递减的趋势;叶轮等效应力最大位置主要集中在叶轮出口处叶片和前、后盖板接触的区域;经过变形及强度综合分析,表明3种不同的不锈钢材料中316L材质的叶轮力学性能最好.研究结果可为高温熔盐泵的结构设计提供一定参考.     

隔板长度对紧凑型高速磁力泵水力特性及叶轮径向力的影响

为探究蜗壳内隔板长度对紧凑型高速磁力泵外特性与叶轮径向力的影响,根据蜗壳型式及隔板长度的不同提出6种蜗壳方案.设单蜗壳为方案一,其余双蜗壳方案根据隔板长度从小到大依次设为方案二至方案六.采用ANSYS-CFX软件对不同工况下(0.8Q_d,1.0Q_d,1.2Q_d)各蜗壳方案泵内流场进行数值模拟,得到不同蜗壳方案的泵中心面静压分布云图,并进行径向力分析.采用方案四蜗壳作为泵实型样机进行试验,将试验值与计算结果进行对比.研究结果表明:相较于无隔板的单蜗壳泵,采用有隔板的双蜗壳泵有利于平衡叶轮径向力,在额定流量下单蜗壳在x,y方向的径向力最大分量分别为151.2,149.7 N,是双蜗壳方案四的1.5倍;随着隔板长度的增大,泵的扬程与效率均逐渐提高,叶轮径向力不断减小,3种工况下扬程的模拟值与试验值偏差均小于3.0%;试验表明数值计算结果具有可信性,研究结果可为紧凑型高速磁力泵在提高水力性能以及平衡叶轮径向力方面提供一定参考.     

叶轮倾斜出口对长轴消防泵内流特性的影响

以XB4.3/240-300LC型立式长轴消防泵为研究对象,在保证叶片包角、进出口安放角、叶轮出口宽度、叶轮出口中间位置到叶轮进口轴向距离以及到旋转轴的径向距离、出口过流断面面积、叶片进口边与前盖板流线交点的径向坐标值均不变的条件下,通过改变叶轮出口倾斜角度设计多种叶轮方案,采用SST湍流模型,对不同方案进行数值模拟和内部流场分析,以寻求泵水力性能最优的叶轮出口倾斜角度.研究结果表明:改变叶轮出口倾斜角度,泵扬程和效率在小流量工况下提升幅度较小,而在大流量工况下,提升幅度相对较大;当叶轮倾斜角度为15°时,泵扬程和效率出现峰值,继续增大倾斜角度,两者反而下降,则倾斜角度为15°视为最优叶轮出口倾斜角度,此时泵扬程和效率相对原始方案分别提高5.95%和1.19%;叶轮出口处绝对速度圆周分量和径向分量在大流量工况下分布有较好的一致性,叶轮出口倾斜角度对其影响较小,而在小流量工况下,各方案的绝对速度分量在流道内分布规律较差;叶轮倾斜出口对环形空间及空间导叶内部湍动能分布有较大影响.     

透平增压泵轴承-转子系统动力学特性

针对海水淡化液力透平增压泵的高速运转稳定性问题,以核心部件水润滑轴承-转子系统为研究对象,通过轴承模化与Matlab编程计算得到水润滑轴承的8个特性系数,并建立起水润滑轴承-转子耦合系统的物理模型和有限元模型;利用转子动力学分析软件Samcef Rotor,计算得到了转子系统前4阶临界转速与模态振型;利用CFX14.5对透平增压泵内部流场进行非定常计算,统计得到不同流量工况下流体作用在透平叶轮和增压泵叶轮上的径向力,并以叶轮不平衡质量和径向力为外部激励,对水润滑轴承-转子系统进行瞬态响应分析.研究结果表明:转子系统的第一阶弯曲临界转速为36 298 r/min,远大于设计转速16 000 r/min,说明该海水淡化液力透平增压泵的转子为刚性转子;当只给透平叶轮与增压泵叶轮同时施加不平衡质量激励时,透平端与泵端相比较瞬态响应更明显,振动位移幅值更大;当两端同时施加不平衡质量与流体激励径向力时,转子系统的振动与仅施加不平衡质量激励时相比明显加强,且不同流量工况下转子系统的振动位移幅值不同,在设计流量工况1.0Q_d下振幅最小,转子运行最稳定.     

蜗壳结构对高温熔盐泵转子运行稳定性的影响

为了研究蜗壳结构对熔盐泵输送高温介质时转子运行稳定性的影响,设计了相同运行工况条件下的单蜗壳、双蜗壳双出液管结构的2种熔盐泵.利用ANSYS 软件对2种蜗壳结构熔盐泵的内部流场进行了非定常数值模拟,并分析了转子部件上的温度分布;将流场和温度场的计算结果同时加载到转子部件上,进行叶轮和轴上的流热固耦合分析,探讨了2种结构熔盐泵转子部件的应力、变形量和模态.结果表明:双蜗壳结构可以减小叶片表面的压力载荷,提高叶轮表面压力分布的对称性;单蜗壳熔盐泵叶轮和轴的最大变形量较大;而且单蜗壳熔盐泵转子部件在不同旋转角度下最大变形量变化较大,相比于单蜗壳熔盐泵转子的等效应力,双蜗壳熔盐泵叶轮的最大等效应力较大,但双蜗壳熔盐泵泵轴的最大等效应力较小;2种蜗壳结构流场条件下,转子部件运行时均满足结构强度要求.     

一种立式长轴泵转子临界转速的分析

立式长轴泵运行中振动的产生受多种因素的影响,而转子的刚度和临界转速是影响其稳定性和产生振动的重要因素.通过对立式长轴泵转子的刚度和临界转速计算,并利用有限元软件ANYSY对其建立三维有限元模型,进行动力学模态分析,得出应力分布情况及各阶固有频率,为保证立式长轴泵在运行中的稳定性和避免发生共振现象提供了重要理论依据.     

立式管道离心泵多工况压力脉动试验

为研究不同工况下立式管道离心泵内部压力脉动特性,文中采用动态压力传感器在模型泵进口弯管处、蜗壳隔舌附近、蜗壳扩散管处分别设置压力监测点,对0.6Q_d,1.0Q_d和1.4Q_d这3种流量下的压力脉动进行了测试,得到了压力脉动时域图、频域图和时频域图.试验结果表明:蜗壳隔舌附近的压力脉动信号波动最大.随着流量的增加,各监测点的压力脉动幅值先减小后增加.小流量和设计流量下,进口弯管处的压力脉动主频为2倍轴频,大流量下主频为轴频,幅值表现出强烈的波动特性.蜗壳隔舌附近的压力脉动主频均为叶频,幅值随流量增加而增大,在小流量和设计流量下高频处表现出较宽频段的波动性.蜗壳扩散管处的压力脉动在小流量和设计流量下主频为叶频,大流量下主频为轴频,轴频的幅值随流量增大而减小.     

基于RBF神经网络和NSGA-Ⅱ算法的海水淡化高压泵多工况优化设计

为提高透平式能量回收一体机的水力性能,采用RBF神经网络、NSGA-Ⅱ遗传算法和数值模拟集成的设计方法,对高压泵进行多工况优化设计.以高压泵三工况点的加权平均效率为优化目标,设计工况点下的扬程为约束条件,结合Plackett-Burman筛选试验,将进口安放角、出口安放角、叶片出口宽度及叶片包角作为优化变量,采用最优拉丁超立方设计试验空间,基于Isight多学科优化平台,通过编写批处理命令集成CFturbo,ICEM,CFX等,搭建智能水力优化平台,实现高压泵的CFD自动预报.基于数值模拟结果,利用RBF神经网络建立目标函数与几何参数之间的非线性关系,并运用NSGA-Ⅱ算法对该模型寻优.研究结果表明:RBF神经网络模型能够准确预测高压泵效率以及扬程与设计变量之间的关系;优化后高压泵与初始方案相比,3个工况点加权平均效率提高了3.38%,在0.8Q_d,1.0Q_d和1.2Q_d工况下效率分别提高了2.21%,3.59%和4.23%;优化后叶轮在设计工况点附近轴功率略有减小;对比优化前后叶轮的流场分布,优化后的叶轮进口低速区减小,内部速度梯度分布更加均匀,流场得到明显改善,能量耗散减小.研究结果可为高压泵多工况水力优化设计提供一定理论依据.     

透平工况动静叶栅内固液两相流动压力脉动特性

为了研究泵作透平过流含沙水时动静叶栅内非定常流动所引起的压力脉动特性情况,以径向导叶式离心泵反转作液力透平为研究对象,对全流道进行结构化六面体网格划分,采用大涡模拟(large eddy simulation, LES)与Mixture多相流模型相结合的方法进行了三维非定常数值计算.分别对清水介质和固液两相介质3个流量工况下的压力脉动进行了监测.结果表明:清水介质和固液两相介质下,动静叶栅交界面处监测点P_{3和导叶内监测点P6由于受到叶轮内压力梯度的交替变化影响,时域脉动周期性明显,且与叶片通过周期一致.小流量工况下,颗粒的存在减少了尾水管回流,使得压力脉动较清水介质更稳定,大流量工况下,颗粒的存在加剧流场紊乱.压力脉动频域分布结果显示,不同工况的主频均为叶片通过频率,谐频为叶频的倍数,其幅值呈指数形式衰减.在小流量工况下,叶轮内部涡流诱导了明显的二次谐波,流体介质中的颗粒使得此处的高频压力脉动得到了增强.大流量工况下,流体介质中的颗粒使得此处的高频压力脉动得到了削弱.}     

船用喷水推进泵装置水力特性的数值模拟

为了更好地分析喷水推进导叶式混流泵装置的水力特性,通过选取标准k-ε湍流模型,采用计算流体动力学分析软件CFX对包括推进泵、进水流道、船底水体和喷嘴在内的船用喷水推进装置在各流量工况下的运行情况进行了数值模拟,分别从流道水力损失分布、装置水力性能、轴向力和内流场特性等方面展开分析.模拟结果表明:流道进口断面到方变圆断面段几何形状较为复杂,水力损失占总损失比重最大,特别是小流量工况,该比重超过了90%,但随着流量的增大,该比重会减小,其余各段水力损失的比重则增加;装置在0.50Q_d附近进入水力不稳定区,0.76Q_d~1.10Q_d为装置运行的高效区,喷水推进泵装置受到的轴向力随着流量的增大而减小;在小流量工况下,叶槽内流态较为复杂,展向涡、径向涡和泄漏涡均较为明显,随着流量的增大,这些涡均逐渐缩小直至消失.     

旋涡自吸泵流致噪声模拟及降噪

以比转数为15.9的旋涡自吸泵为研究对象,结合CFX和LMS Virtual Lab中的Acoustic Harmonic BEM模块对旋涡自吸泵内流压力脉动和流致噪声进行仿真研究,旨在降噪优化.首先采用RNG k-ε湍流模型对旋涡自吸泵0.4Q_d,0.6Q_d,Q_d这3个工况下的内部流场分别进行定常、非定常求解,捕捉蜗壳壁面以及进出口管道壁面的压力脉动数据,并以cgns文件导入Acoustic Harmonic BEM模块进行声场计算,求解旋涡自吸泵内部的声压级大小及其分布特性.结合内流压力脉动与声场计算结果综合分析可得:蜗壳隔舌与叶轮的间隙内的压力脉动是产生流致噪声的主要因素.为了降低旋涡自吸泵内部流致噪声,借鉴涡轮叶片锯齿尾缘结构,优化叶片以降低间隙内流压力脉动.通过流场和声场的数值模拟的对比分析发现:优化泵隔舌间隙处压力脉动幅度在设计工况下最大降低20.0%,在小流量工况下最大降低26.6%;较之原模型,设计工况下改进型泵进、出口管道监测点的声压级分别降低1.01,1.03 dB;小流量工况下,进、出口管道声压级最大幅值分别降低8.57,2.65 dB.