旋壳转速对腔内液体流动特性的效应

为研究旋壳转速对腔内液体流动特性的影响,以试验旋喷泵为研究对象,在高度验证叶轮与旋壳同步旋转试验与模拟结果准确性的基础上,对叶轮转速相同、旋壳转速不同的5个模型采用RNG k-ε湍流模型进行数值计算,分析腔内液体流动特性的变化情况,研究泵的性能.结果表明:旋壳转速增大,液体圆周速度和旋转系数均增大,圆周速度曲线沿径向逐渐形成同心圆,腔内液体做非刚性旋转.腔内液体径向压力梯度增大,压力低于624 kPa时,旋壳转速越高,压力越小;压力高于624 kPa时,旋壳转速越高,压力越大.集流管迎流区涡分布在进口附近,尾迹区涡集中在扩散段结尾处,整体呈增大趋势.旋壳转速增大,泵的扬程升高,但效率降低,通过改变集流管进口直径发现集流管并非效率降低的主要原因,而是由圆盘摩擦损失的增大导致的,圆盘摩擦损失随旋壳转速增加呈3次幂函数式增大,文中最优进口直径为13 mm.     

离心泵叶轮平衡腔内液体流动特性及圆盘损失分析

在离心泵0.8Qsp、Qsp、1.2Qsp流量工况点,外特性及平衡腔内流动特性数值计算结果与试验结果基本一致的基础上,研究平衡腔液体流场分布情况,绘制平衡腔内液体不同角度和半径无量纲圆周、径向分速度沿轴向分布曲线,分析平衡腔液体流动特性,计算平衡腔区域叶轮盖板外侧圆盘摩擦损失。结果表明:平衡腔液体流动存在核心区和两湍流边界层,主要流动特征为圆周剪切流与径向压差流。同一流量点,平衡腔流动核心区无量纲圆周分速度随半径的增大而减小,无量纲径向分速度近似为零,而湍流边界层液体受泄漏流影响较大,且不具有轴对称性。流量越小,同一角度和半径的平衡腔液体旋转角速度越小,平衡腔区域叶轮圆盘摩擦损失越大。泵内圆盘摩擦损失理论公式未考虑流量工况变化因素影响,且理论公式结果大于试验结果和数值计算结果。     

离心泵轴向力的迭代计算方法

本文通过对边界层内流动分析,简化泵腔中液体流动的Ｎ－Ｓ方程推导出泵腔内压力分布与泄漏量之间的关系,从而在理论上推导出进一步精确计算轴向力的编程迭代求解公式。     

离心泵泵腔流道液体泄漏量试验与计算方法

设计了针对泵腔流道液体泄漏量测量的专用试验装置,采用改变叶轮轴向位置(即改变泵腔轴向间隙)来改变隙径比的方法,在间隙为0.2 mm、0.3 mm,长度为15 mm密封环条件下,对隙径比为0.127、0.101、0.076、0.051、0.025、0.006的泵腔流道的进出口液体压力和液体泄漏量进行了测试及分析,并提出了泵腔流道液体泄漏量计算公式及其速度系数的确定方法。结果表明:不同隙径比的泵腔流道液体泄漏量系数与压力系数的变化很有规律性,其关系曲线几乎是一些斜直线,但隙径比和密封环间隙对其有较大影响;在泵结构不变情况下,只减小泵腔轴向间隙就能有效地减少液体泄漏量,提高泵容积效率,泵腔轴向间隙最佳取值范围为1~5 mm。     

平衡鼓间隙对多级泵后腔压力及轴向力的影响

为研究多级离心泵平衡鼓径向间隙尺寸变化对末级叶轮后泵腔压力及轴向力的影响,基于SST k-ω湍流模型,应用Fluent软件分别对节段式多级离心泵进行数值计算,分别模拟平衡鼓径向间隙为0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5 mm的6种设计工况下,平衡鼓径向间隙尺寸对多级泵效率及平衡鼓轴向平衡能力的影响.计算结果表明,随着平衡鼓间隙增大,末级叶轮后泵腔内流体压力沿径向逐渐增大,后盖板外壁面压力分布不均匀;末级叶轮后泵腔中心截面压力呈平衡鼓间隙越大,后泵腔压力取值整体减小趋势,其压力幅值呈先减小后增大的趋势;末级叶轮所受轴向力在间隙为0.3 mm时最小;多级泵的效率随着平衡鼓间隙泄漏量的增大而降低,当泄漏量q>0.887 kg/s,效率降低明显.     

浮动叶轮平衡腔内液体泄漏量特性试验

用专用设备模拟浮动叶轮的运行工况,对叶轮后密封环前后压力进行了直接测量,得出了后密封环前后压力与泵扬程的试验曲线,据此计算得到了浮动叶轮平衡腔内液体泄漏量特性曲线.试验解决了浮动叶轮平衡腔内液体泄漏量和压力的计算问题.     

平衡孔直径对离心泵性能及平衡腔压力的影响

在离心泵性能数值模拟与试验测试结果基本吻合的基础上,对泵平衡孔直径0~12 mm范围内的泵扬程、效率和轴功率进行预测,研究泵设计工况下,不同平衡孔直径时平衡腔内液体压力沿轴向、径向和切向分布规律,以及其对盖板力的影响,并绘制出p=f(k)关系曲线。结果表明:同一流量工况时,平衡孔直径增大到一定值后,轴功率明显增大,效率显著降低,但在大于设计流量工况时,扬程与平衡孔直径无关;同一平衡孔直径下,平衡腔压力沿轴向和切向基本保持不变,压力由泵轴至密封环沿径向增大;在平衡腔内小于平衡孔圆心与泵轴中心垂直距离的半径区域,平衡孔直径越小,压力沿径向越趋近于零,而在平衡腔内大于上述半径区域,平衡孔直径越大,压力沿切向越大;比面积k≥2.645时,平衡腔区域盖板力基本平衡。     

离心泵泵腔和平衡腔液体压力试验与计算

设计了针对泵腔和平衡腔的液体压力测试装置,采用同一块压力传感器测量不同测点压力的方法,对不同直径平衡孔前、后泵腔和平衡腔的液体压力进行了测试及分析。试验发现,对这种前后密封环直径相同的叶轮,在密封环正常时密封环以上的前、后泵腔液体压力分布是不同的,且后泵腔液体压力普遍较前泵腔液体压力高。基于有、无液体泄漏泵腔液体压力曲线的分析,引入了泵腔液体压力损失系数,提出了设计工况有液体泄漏泵腔液体压力计算公式及其压力损失系数的具体确定方法。并用2台离心泵泵腔液体压力测试结果,验证了设计工况有液体泄漏泵腔液体压力计算公式具有较高的可信度。比较分析了设计工况平衡腔液体压力的理论计算结果和试验结果,验证了设计工况平衡腔液体压力数学模型能准确地预测出平衡腔液体压力,并从控制平衡腔液体泄漏量减少其液体压力及轴向力的角度,提出试验泵的平衡孔直径在6~8 mm较为合适。     

离心泵叶轮平衡孔液体泄漏量特性试验

在3BA-6型单级单吸离心泵上,通过更换不同直径平衡孔叶轮的试验,测量了叶轮后密封出口压力、泵进口压力,得出了平衡腔内液体压力、泵进口压力与泵扬程的试验曲线。据此计算得到了平衡孔液体泄漏量特性曲线。在设计工况下,比较分析了当平衡孔直径不同时平衡孔液体泄漏量理论曲线与试验曲线。实测泵轴向力曲线表明依据平衡孔泄漏量特性曲线计算得到的轴向力曲线,可以满足工程计算需要。     

离心泵泵腔轴向间隙对平衡腔压力和泄漏量的影响

针对不同泵腔轴向间隙对平衡腔和泄漏量的影响,采用RNG k-ε湍流模型,对IS80-50-315型单级单吸悬臂式离心泵后泵腔间隙分别为1,4,8,12,16,20 mm的全流道模型进行数值计算,分析了不同间隙下平衡腔液体压力的分布规律和泄漏量的变化情况,得到了与泵腔阻力系数、密封环阻力系数和平衡孔阻力系数相关的速度系数与隙径比的关系曲线和泄漏量计算公式,可用于试验中对0.006~0.127的全流道速度系数进行预估和不同泵腔轴向间隙的泵腔流道液体泄漏量的求解.研究结果表明:后泵腔轴向间隙增大,平衡孔进口处平面和闷盖壁面压力随之升高,这个变化在轴向间隙为4~16 mm时较为明显,而在泵腔间隙取最大值12 mm和最小值1 mm时压力改变较小;同一工况下的泵腔流道泄漏量随后泵腔间隙的增大而上升,而对于同一泵腔间隙,泵腔流道泄漏量在0.8Q_d时最大,1.2Q_d时最小,即泄漏量随流量的增大而减小.     

高压渐开线内啮合齿轮泵轴向泄漏分析

为研究高压渐开线内啮合齿轮泵的内泄漏,尤其是轴向泄漏问题,对齿圈与泵体间隙处的轴向泄漏通道进行分析,并建立相应的简化模型,应用Fluent软件计算得到通道内压力沿周向分布的规律,采用所得公式与参数对轴向泄漏进行计算分析,并通过试验进行验证.研究结果表明:高压渐开线内啮合齿轮泵在采用间隙补偿机构时,进出油方式由轴向变为径向,从而导致了轴向泄漏;轴向泄漏与其他途径的泄漏相比更大,是影响该结构泵容积效率的主要因素,轴向泄漏的大小主要取决于齿圈与泵体公差的选择,配合间隙越大,轴向泄漏越大;同时,轴向泄漏也受齿圈偏心率的影响,泄漏量随偏心率的增大而减小.经分析得知,为保证泵在高压下能够保持一定的容积效率,在设计时需要严格控制齿圈与泵体双边间隙的上限值.同时,通过合理的径向力平衡设计控制偏心方向,可以有效利用高压下偏心率的变化缓解一部分轴向泄漏.     

采样频率和时间对轴流泵压力脉动特性的影响

为了更准确地分析轴流泵的压力脉动特性,基于结构化网格,在考虑叶顶间隙的情况下,以时均N-S方程为基本控制方程,采用标准k-ε双方程湍流模型和SIMPLEC算法,对轴流泵模型进行了不同的采样频率和采样时间下的全流场非定常数值计算,并分析其对计算结果的影响．结果表明:在进行压力脉动分析时,若取静压作为傅里叶变换的纵坐标,频域图中频率为0时的物理意义即该点平均静压值;采样频率和采样时间对轴流泵压力脉动时域特性和频域特性具有重要影响,指出了因采样频率过小而导致的混叠现象在时域和频域中的表现;并推导出当保证采样时间与叶轮周期和叶片数乘积的比值达到整数倍关系时,基频处不会发生频谱泄漏,并建立了普遍适用轴流泵压力脉动数值计算采样时间的选取公式,进而从公式得出针对不同转速的轴流泵,应选择不同的采样时间．结果为进一步分析轴流泵压力脉动提供了一定参考．     

基于动静干涉的离心泵转速测量机理与实

离心泵叶轮和蜗壳的相对运动,使流体在叶轮和蜗壳内的流动相互干涉,从而引起周期性压力脉动.通过流场计算发现流体在蜗壳内沿叶片出口边绝对速度方向上出现明显的高速区域;通过对蜗壳内压力脉动的监测发现,叶轮每转过一周,蜗壳内的压力呈周期性波动,波峰和波谷的数量与叶片数相同.通过对压力的频谱特性分析,发现压力脉动的主频就是叶片通过频率.应用高频压力传感器测量泵出口法兰附近的压力,通过FFT变换发现测得的信号主频也是泵的叶片通过频率.根据离心泵内动静干涉引起的压力脉动的这一特征,将泵出口法兰处得到的压力脉动作为测量泵转速的原始信号,采用快速傅里叶变换技术对压力脉动信号进行后处理,得到的主频就是离心泵的叶片通过频率,应用该叶片通过频率可实现对泵转速的测量.     

基于CFD螺旋槽干气密封端面流场分析

应用Solidworks软件对螺旋槽干气密封端面微尺度三维流场气膜进行建模,并运用Fluent软件对三维流场模型以层流流动形式进行数值模拟计算.在特定工况下,根据计算所得端面流场产生的动压效果和径向流速,确定使端面气膜推力（即开启力）和泄漏量同时达到最优时的气膜厚度;在确定的气膜厚度下,即分别为3.5,4.5,5.5μm时进行数值模拟计算,通过改变压力和转速,研究不同压力和转速对端面泄漏量和功耗的影响.结果表明：当气膜厚度在3～6μm时,产生较好的动压效果和较小的径向出口流速;当气膜厚度取为3.5μm时,端面总体效果达到最好,即产生动压效果最好,出口径向流速最小;当气膜厚度和压力确定时,泄漏量和功耗随着转速的增大而增大,且成线性关系;当气膜厚度和转速确定时,泄漏量和功耗随着压力的增大而增大,也成线性关系.     

基于弱可压缩计算的水泵水轮机超出力分析

为防止超出力工况下转轮内流体流速过高,出现脱流现象,进而导致无叶区压力脉动的升高,研究了水泵水轮机在超出力工况下运行时的水力稳定性.基于非定常、不可压缩流体,建立了三维水泵水轮机水力模型,采用SST k-ω模型对在110%额定功率下运行的模型机组进行数值模拟,预测超出力工况下的水泵水轮机内流场以及压力脉动,对导叶流域的压力脉动演化规律进行分析,并将其与试验结果进行对比.结果表明:在超出力工况下运行时,导叶附近流域压力脉动幅值沿流动方向逐渐增大;在固定导叶与活动导叶之间,压力脉动的主频大小由叶片通过频率的2倍变为1倍;2倍叶片通过频率分量幅值与混频幅值之比在活动导叶流域明显降低.超出力工况下,转轮叶片压力面出现脱流,并且在尾水管中存在1个粗大的涡带,导致机组性能降低.     

用于幂律流体螺旋槽液膜机械密封性能的解析法

为深入研究密封介质为非牛顿流体的螺旋槽上游泵送机械密封性能,以幂律流体为研究对象,基于Muijderman推导牛顿流体润滑轴承的端面压力分布表达式,把幂律流体二维定常流动雷诺方程和流量方程分别替换牛顿流体的表达形式,获得了密封端面流场的压力分布表达式,进而得到密封开启力、泄漏率等性能参数．将解析所得结果与采用Fluent模拟结果进行比较,两者数据吻合．再基于近似解析法,分别分析了稠度系数m和流性指数n对密封性能的影响,结果表明,密封开启力随流性指数n和稠度系数m的增大而增大．对于泄漏率而言,当密封胀塑性流体时,流性指数n和稠度系数m几乎没有影响．当密封假塑性流体时,处于较小膜厚时受稠度系数m和流性指数n的影响甚微,但处于较大膜厚时随流性指数n和稠度系数m增大而变大.     

双螺杆泵多点啮合型转子设计与内部流动特性

针对传统双螺杆泵螺杆转子螺旋面啮合区磨损严重、内泄漏大等问题,根据啮合原理,建立椭圆弧及其共轭曲线的啮合模型,构建传动比为2∶3的主从螺杆端面型线,提出一种新型多点啮合型螺杆转子结构.应用计算流体动力学方法对新型双螺杆泵内部流场进行数值计算,研究了泵内部流动特性.研究结果表明:所提出的新型螺杆转子在轴截面上可实现三点啮合,在双螺杆转子上形成多重密封;采用V形凹槽的主螺杆转子齿顶压力分布均匀,采用传统结构的从螺杆转子齿顶处压力分布呈阶梯状;从螺杆转子周向啮合间隙处泄漏速度为主螺杆转子的1.8倍,表明主螺杆转子齿顶V形凹槽两侧的光滑顶棱与泵腔内壁面形成的类迷宫密封可有效减小周向啮合间隙处的泄漏;新型螺杆转子较大改善转子的磨损适应性,有效减小了双螺杆泵的内泄漏,对提高双螺杆泵的高压环境适应能力具有重要意义.     

轴流泵多工况压力脉动特性试验

为了掌握不同流量工况下的轴流泵压力脉动特性,在轴流泵叶轮段和导叶段外壁面布置了6个压力脉动监测点,对多个流量工况的压力脉动进行了动态测量,揭示了轴流泵内部不同位置处压力脉动规律。试验结果表明,叶轮进口监测点P1的波形为规则的正弦波形,叶轮内部中间测点P2的压力脉动峰峰值最大,叶轮进口监测点P1压力脉动次之。叶轮进口、叶轮中间和叶轮出口监测点由于受到叶轮内压力梯度的交替变化影响,时域脉动周期与叶片旋转周期一致,在小流量工况下叶轮内部涡流诱导了明显的二次谐波。基于快速傅里叶变换,获得了不同监测点压力脉动频域分布结果,并发现叶轮区域3个压力脉动测点在不同工况的主频均为叶片通过频率(BPF),谐频为叶频的倍数,其幅值呈指数形式衰减。但在导叶进口、导叶中间和导叶出口监测点的压力脉动频域中出现了撞击和回流诱导的低频信号,同时也存在叶轮的主频及其谐频。     

外啮合斜齿轮高压泵的CFD数值模拟

为研究流量脉动系数对外啮合斜齿轮高压泵内部流场的影响,通过理论推导流量脉动系数的计算公式,分析螺旋角对流量脉动系数的影响,并结合计算流体力学(CFD),对外啮合斜齿轮高压泵的流场进行数值模拟,得到高压泵在不同转速、不同径向间隙下的压力脉动和流量特性.结果表明:增大螺旋角会减小流量脉动系数,有利于改善出口流量的品质,降低齿轮泵泄漏;另外,转速和径向间隙在一定范围内增大时,脉动系数逐渐减小,泄漏涡强度也会减小.当转速和径向间隙继续增大时,脉动系数趋于平稳波动;转速增大时,啮合区域的压力变化较大,但是靠近泵腔壁处的齿轮压强变化较小;径向间隙增大时,泄漏流动和泄漏涡强度会降低,在设计中适当增大转速和径向间隙可以改善出口流量品质.研究高压泵内部流场的运动规律和流量脉动特性对于外啮合斜齿高压泵的设计和优化具有一定的参考价值.     

不同雷诺数下混流式水轮机密封间隙通道内流动特征分析

针对水轮机密封间隙流道空间尺度相差较大,为实现对间隙流道的整体精确计算,文中采用分步投影法,求解间隙流道内不可压缩的Navier-Stokes方程.为更好地捕捉到间隙通道内的涡结构特征,对梳齿密封间隙采用六面体网格划分,在壁面边界处进行网格加密.扩散项采用二阶中心差分格式,对流项采用Quick迎风差分格式.通过数值求解得到不同流动雷诺数下间隙流道内速度、压力及涡量的分布规律,同时得到顶盖压力、间隙流道产生的轴向推力和转轴力矩.计算结果表明：流体从间隙进入梳齿空腔后,形成典型的旋涡耗能结构而耗散部分动能,对降压节流起到主要作用,同时,雷诺数对腔体内的旋涡形态影响较大.计算结果有助于理解不同流动雷诺数下水轮机密封间隙渗漏流道内复杂流动的真实物理机理以及密封间隙对轴系结构动力学特性的影响.