轴向柱塞泵效率特性半经验参数化建模方法

针对轴向柱塞泵效率特性机理分析不够深入、全工况下机理模型精度差,提出一种基于力学正反问题的柱塞泵效率特性半经验参数化建模方法。首先考虑油液可压缩性导致的容积损失和倾覆力矩作用下形成的柱塞副库伦摩擦力,建立了流量、转矩损失机理模型;然后分析了系统参数非线性变化规律,在此基础上利用试验数据拟合机理模型中复合参数经验公式;最后导出柱塞泵效率特性半经验参数化模型。对比分析表明:复合参数经验公式显著提高了机理模型精度,流量、转矩损失半经验参数化模型平均相对误差分别为3%和1%。结果分析表明:复合参数以及对应损耗能量比重直观反映了柱塞泵效率特性,极限工况下柱塞泵效率下降以及容积效率和机械效率无法再次提升的根本原因在于油液有效体积弹性模量、库伦摩擦因数等系统参数的急剧变化。     

轴流泵模型多叶片安放角的数值计算

在同一轴流泵模型0°安放角数值计算结果的基础上,应用ANSYS CFX软件,选择标准k-ε湍流模型和可伸缩壁面函数,在不同的叶片安放角下,采用全六面体网格和经网格无关性分析的网格数,分别在定常和非定常条件下进行了多工况的数值模拟和外特性计算,并将计算结果与试验结果进行对比.在规范使用工具软件的条件下,分析了CFD数值模拟技术预估轴流泵性能的精度及其误差的特点.结果表明,非定常计算扬程值略高于试验值,而定常计算扬程值低于试验值,非定常计算的总体精度高于定常计算,且误差可控制在5%以内;定常和非定常预测的效率误差可控制在7%以内,且非定常计算的效率与试验效率存在一相对固定幅度的偏差,据此可用于修正同类模型效率的预测值.基于非定常计算的结果,进一步分析了叶轮和导叶圆柱面上流线分布、叶片截线压力分布和轴流泵过流部件各部分水力损失随叶轮叶片安放角和流量的变化规律,发现在小流量工况,靠近轮毂位置存在旋涡堵塞现象;在计算工况范围内,导叶段和出水段水力损失随流量的增大呈现先减小后增大的趋势.     

变冲击系数的几何参数化变矩器特性模

为解决变矩器特性模型中因冲击损失造成理论预测误差偏大的问题,建立了变冲击损失系数的几何参数化变矩器特性模型.模型以键合图作为系统动力学工具,采用模块化建模方法,分析了各工作轮的工作特性与能量损失,实现了通过几何参数进行工作特性的预测,采用变冲击损失系数的方法来增加模型精度.与样机性能实验结果对比表明,在转速比0至1全区段内,变冲击损失系数方法得出的变矩比和效率百分比误差的波动变化更小,这说明在工况复杂的情况下采用变冲击损失系数方法有一定优势.     

离心泵非定常流动计算及性能预测

采用以SSTk-ω模型封闭的雷诺平均方程和滑移网格技术计算了离心泵内的非定常流场.基于非定常流动计算结果,考虑容积损失、圆盘摩擦损失和机械损失,对离心泵的性能进行了预测,并与实测性能曲线进行了比较.结果表明,在给定进口速度的条件下,由于叶轮与蜗壳隔舌的相对位置不同,泵的扬程和轴功率有比较大的脉动,且其脉动幅值随流量的增大而增大.定常流动计算和非定常流动计算所预测的性能曲线在大流量与设计工况时相差不大,在小流量时有明显的差别.与试验曲线相比,预测的扬程曲线偏低,轴功率曲线也偏低,效率曲线比较接近.由于在设计工况时定常计算和非定常计算差别不明显,在设计过程中采用定常计算是可行的.     

轴向柱塞泵全局耦合动力学建模

轴向柱塞泵内部子系统强耦合作用下柱塞泵呈明显的全局耦合特性,而柱塞泵传统局部动力学模型普遍存在恒压力、定转速等假设条件,缺乏对全局耦合特性的综合分析能力,为此在分析子系统间结构关系及耦合情况的基础上,提出一种基于数组的键合图建模方法,建立了斜盘式轴向柱塞泵键合图模型。进行了柱塞-滑靴子系统摩擦学-动力学耦合机理分析,并定义能量损耗因子,综合包含非线性因素的各子系统动力学方程参数,最终导出柱塞泵全局耦合动力学模型。对模型进行了仿真,仿真结果与实际情况吻合,验证了模型的有效性和正确性。     

导叶轴向安放位置对核主泵性能的影响

基于Reynolds时均化N-S方程和RNG k-ε湍流模型,采用SIMPLE算法和多重坐标系法,对3种不同导叶轴向安放位置核主泵缩比模型的内部流动进行了全三维定常数值计算.通过对比分析外特性、压力场和速度场,研究了导叶轴向安放位置对模型泵叶轮、导叶和泵壳内部能量转换特性的影响.结果表明,减小导叶与泵出水管轴线在叶轮旋转轴线方向的距离,小流量工况下,泵的效率增加,其中叶轮效率增加,泵壳内的流动状态有所改善,回流现象有所抑制,从而减小了泵壳损失,但同时导叶损失也有所增加;设计及大流量工况下,泵的效率减小,其中叶轮效率有所降低,同时导叶和泵壳损失也相应增加.由于核主泵叶轮、导叶和泵壳的参数相互关联和影响,改变导叶轴向安放位置会影响各单元间耦合匹配特性,进而影响叶轮、导叶和泵壳内流动状态及能量转换效率.     

基于流场计算的离心泵性能预测比较

简述了基于流场计算法预测离心泵能量性能的研究现状。为了详细研究各种基于流场计算进行离心泵性能预测方法的精度,采用RANS定常数值计算、RANS非定常数值计算和大涡模拟分别对2台不同比转速的离心泵设计工况下的内部流场进行了数值模拟。根据数值模拟结果预测了2台离心泵的外特性并将各模型扬程和效率的预测结果与试验结果做了详细比较。同时对非定常流场计算所需要的周期数进行了研究。研究结果表明,离心泵非定常数值计算至少要进行5个周期的计算才能获得稳定的预测结果;离心泵能量性能的脉动周期与叶频相同;RANS非定常数值计算与I．ES模拟的外特性平均预测精度基本相同,都高于RANS定常数值计算的外特性预测精度。     

变排量非对称轴向柱塞泵控制特性分析

变排量非对称轴向柱塞泵(Variable-displacement asymmetric axial piston pump,VDAAPP)直接控制单活塞杆缸闭式系统具有结构紧凑、能效高的优势。在定排量三配流窗口轴向柱塞泵的基础上,提出基于斜盘摆角位置反馈的PD变排量控制策略。建立VDAAPP的数学模型,运用近似线性化及降阶的方法分析影响VDAAPP频响的因素,并对斜盘变量阻力矩进行研究。在AMESim中建立VDAAPP电液仿真模型,通过对斜盘受力特性的仿真分析,验证了阻力矩计算的正确性。搭建VDAAPP试验平台,对系统的动态性能进行测试。试验和仿真结果表明,当非对称轴向柱塞泵一个配流窗口吸油、两个配流窗口排油时,非对称轴向柱塞泵斜盘存在较大的单向阻力矩,此单向力矩会降低斜盘摆角减小过程中的动态响应;当采用PD控制、比例系数kp=3时,VDAAPP可实现零超调的变排量控制,且具有较高的响应速度,验证了所提控制方法的合理性。     

用能量特性评价水泵机组水力稳定性

为了评价大型低扬程水泵在设计和非设计工况下运行的稳定性,根据水泵设计理论,分析了非设计工况下影响水力稳定性的主要因素,包括进口预旋、出口环量、轴向旋涡和脱流等,进而从水泵的基本方程出发,提出了"虚拟最优工况"的概念,建立了以水泵能量特性来计算水力不稳定性即紊流损失的方程式,据此对不同比转速的叶轮进行了紊流损失计算,并与模型实测的压力脉动进行了对比,两者有较好的一致性.这一结果表明,采用能量特性评价水泵机组运行稳定性的方法是可行的.     

万吨级海水淡化高压泵水力部件优化设计

为了研制高效区宽广的海水淡化高压泵,采用一种轴向吸入节段式的总体结构形式,分别设计了3组叶轮和导叶结构,组合成9种方案进行水力模型的筛选.在ANSYS CFX中对该9种方案进行数值计算,优选一组最佳水力模型加工实体泵进行外特性试验.试验结果表明:该实体模型泵高效区宽广,各工况性能均满足设计要求,数值计算和试验的扬程、效率的误差在额定工况点分别为2.52%和2.96%,均在工程允许范围内,验证了数值计算的正确性.对叶轮出口、导叶进口处流场的匹配衔接进行研究发现,增大导叶进口喉部面积,最高效率点将向大流量处偏移.对优选方案内部流动进行分析发现,高压泵在小流量工况下运行不稳定,导叶内出现较多的旋涡结构,造成较大的能量损失,但随着流量逐渐增大,旋涡有所减少,高压泵运行趋于稳定,因此高压泵应避免在小流量工况下运行.研究结果可为高压泵的优化设计提供一定的参考.     

双联轴向柱塞泵配流盘优化与流量脉动特性分析

针对双联轴向柱塞泵配流盘在脱离吸油和排油时,柱塞腔存在闭死压缩和闭死膨胀阶段,造成柱塞腔气穴现象和压力正超调或负超调,引起流量和压力突变产生大的噪声问题,提出了一种配流盘结构。首先建立柱塞泵流动特性数学模型,分析轴向柱塞泵噪声产生机理;然后设计新配流盘结构并优化匹配三角阻尼槽结构参数,建立过渡区压力特性方程,通过理论模型对比分析,新配流盘能降低柱塞腔在过渡区产生的压力冲击。为了验证新配流盘结构对整泵流量和压力影响,采用液压仿真软件AMEsim建立双联柱塞泵模型,通过实验测试对比分析,验证了模型正确性。在相同工况下,将新配流盘和原配流盘代入整泵模型中,结果表明新配流盘流量脉动率比原配流盘流量脉动率降低了6.75%,证明新配流盘能很好地降低流体脉动。同时该模型为制造样机提供了理论基础,可降低新产品开发成本。     

特低扬程大流量贯流泵站水泵选型

针对特低扬程大流量水泵的选型问题,以某设计净扬程仅0.32 m的贯流泵站为例,进行水泵性能预测.利用现有水力模型的泵段特性曲线及装置特性曲线进行相似换算,并对计算结果进行比较.通过进一步的数学推演,提出了采用水泵泵段特性参数推算泵装置效率指标的方法,并结合数值模拟及装置模型试验进行验证.结果表明,对于运行净扬程 1 m...     

离心式消防泵内流特性

为了研究离心式消防泵外特性、内流特性及空化特性,基于RNG k-ε湍流模型对某一比转数为24.7的离心式消防泵不同工况下的内部非定常流动进行数值模拟.结果表明:在关死点工况下,离心泵消防泵叶轮内部产生大量的失速旋涡,尤其在叶轮出口位置出现面积较大且极高湍动能的涡核分布,严重影响流道的通流能力,且造成较大的能量损失;随着流量增大,流道内的旋涡逐渐消失,流场趋于稳定,涡核分布基本保持稳定且对称;随着流量持续增大,离心式消防泵轴向力逐渐增大,在极小流量和极大流量工况下的轴向力波动相对较强;随着流量增大,径向力逐渐降低,且不同工况下径向力的矢量分布均呈现六齿形分布;随着流量的增大,离心式消防泵扬程特性曲线受空化的影响更加明显,随扬程曲线开始下降时的NPSHR也逐渐增大,但下降速度相对较慢.     

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.     

基于数学模型的二维插装水泵设计与试验

基于传统水泵,设计了一种由多组单元泵组插装而成的二维插装水泵。单元泵组由两个单元泵组成,通过两个单元泵的配合可以消除流量脉动。基于其中的基础组件,即两个单元泵的组合特性展开了研究。通过理论分析与对比,阐述了二维插装水泵的工作原理,说明了二维插装水泵的潜在优势,包括结构力平衡、排量大、油水分离、无结构性流量脉动等。同时,针对凸轮与滚子之间的接触曲面进行了数学建模与分析。有别于二维取点后补偿得到接触点的方式,接触曲面的数学建模方法采取分析滚子与凸轮的空间接触关系,基于空间关系建立接触曲面的坐标模型,接触曲面的数学模型在精度上优于二维取点补偿法。通过对活塞运动规律和两个单元泵组流量特性的试验研究,验证了接触曲面数学模型的正确性和二维插装水泵无结构性流量脉动的优点。     

轴向柱塞泵柱塞滑靴组件动力学特性建模与分析

柱塞滑靴组件的动力学特性直接决定了泵的工作性能。泵运转周期内,存在如离心力、滑靴副摩擦力及柱塞与缸孔间接触力等大小和方向都时变的作用力,但长期以来在对柱塞滑靴组件的动力学参数分析中,仅局限于或在某一固定位置处、或在简化假设情况下进行计算,这给泵结构的优化设计及泵性能的预期评估带来不利影响。为在全周期内动态评估柱塞滑靴组件的动力学性能,依据不同应用需要,在简化受力情况下提出了相应的简化数学模型,在完整受力情况下,通过引入随体坐标系,提出了相应的精细数学模型。建立的模型遵循真实的柱塞-缸孔线接触力动力学行为,并进一步考虑到了接触力作用位置随工况实时动态变化的实际情况。通过实验结果与基于AMESim-ADAMS软件建立的联合仿真模型分布参数法仿真结果的对比,验证了所提出的数学模型。应用实践表明,提出的模型可以方便地应用于对柱塞滑靴组件相关重要动力学参数的全面动态评估及泵结构的动态优化设计。     

水泵全特性曲线的预测及对数值分析的影响

为了准确评估泵系统水力过渡过程特性并实施合理有效水的锤防护的重要边界条件,基于水泵全特性曲线的Suter曲线表达形式,提出基于牛顿插值算法的水泵全特性曲线预测方法,进一步给出一种利用水泵基本特性曲线来修正水泵全特性曲线的数值变换方法.通过与常用的水泵全特性曲线预测拟合方法的比较,以及在泵站系统过渡过程计算中的应用分析,结果表明:基于牛顿插值算法的水泵全特性曲线预测方法应用方便,相比于常用的基于拉格朗日插值算法的曲线拟合方法,牛顿插值预测方法能灵活适应基础拟合数据的扩充,而且预测得到的水泵全特性Suter曲线是合理可靠的.经过水泵基本特性曲线修正后的Suter曲线,在提高泵系统水泵稳态计算工作点精度的同时,能较准确地反映水泵全工况的流量特性和能量特性,满足泵系统过渡过程计算分析的精度要求.     

轴流泵装置反转水动力特性研究

为了探究轴流泵装置反转运行条件下的水动力特性,采用试验测量结合数值模拟的方法,对某配有常规单向叶轮的轴流泵装置的反转运行特性进行了研究,分析了轴流泵装置包括反水泵工况、反向发电工况的能量特性和内流特性。结果表明,应用单向叶轮的轴流泵装置进行反转抽水的扬程和效率均较低,高效点的扬程仅为常规泵工况高效点扬程的0.38倍,高效点的效率仅为常规泵工况的0.55倍。反水泵工况下的压力脉动信号成分较为复杂,泵装置出水流道的流态较差,不同流量工况下的叶片非工作面均存在较大范围的回流区。反向发电工况下,最高效率点向大流量偏移,出现在Qd=1.63流量工况,高效区的范围明显增大,达到了泵工况的1.53倍,在大流量工况下仍能维持较高水平的水力效率。反向发电工况下水泵叶片非工作面的极限流线较为平顺,叶片工作面的压力梯度分布较为均匀。研究成果为特殊利用条件下的轴流泵装置的安全稳定运行提供了参考。