基于不等扬程的离心式长轴泵的优化设计与试验

为使离心式长轴泵能够在不同工况下高效运行,该文以500GJC-32.3×3型离心式长轴泵为例,对其进行优化,首先根据传统方法估算离心式长轴泵叶轮参数,通过正交方法对离心式长轴泵叶轮进行优化设计,对正交试验结果进行极差分析,得到了叶轮几何参数对离心式长轴泵扬程和效率影响的主次顺序。综合考虑各参数对离心式长轴泵性能的影响,选取重要因素,基于不等扬程设计理论,采用控制变量法对叶轮进行多方案优化设计,对比不同方案计算结果可知:基于不等扬程理论优化设计的叶轮具有较好的水力性能,选择合适的后盖板无穷叶片数理论扬程系数,可使叶轮水力性能趋于最佳。对于该型离心式长轴泵,当后盖板无穷叶片数理论扬程系数取1.1时可获得较优的水力性能,对比较优方案的试验与计算结果可知:二者变化趋势相同,扬程、效率、轴功率的最大误差分别为4.02%、5.58%、3.59%,在(0.8~1.2)倍设计流量工况下,扬程、效率、轴功率的误差小。同时由试验可知:该型离心式长轴泵在设计流量时扬程大于97 m,效率高于82%,最高效率点出现在1.1倍设计工况附近为83.22%,曲线具有较宽的高效区和无过载特性,能够满足设计要求,在丰水期和枯水期均能高效稳定的运行,同时可降低电机的配套功率,减少一次成本投入。因此,该文的研究结果对离心式长轴的优化设计有较好的参考价值。     

离心泵用作液力透平叶轮出口滑移系数的计算方法

为了通过理论的方法预测液力透平的性能,并针对国内外对液力透平滑移系数计算公式研究的空白,借助于离心泵滑移系数计算公式的研究方法和相关理论,结合流体力学中的相关原理研究液力透平叶轮流道中流体的流动形式,推导叶轮出口的滑移系数计算公式以及在考虑叶轮进出口滑移时液力透平的基本能量方程,最后选取模型对滑移系数计算公式进行验证,并与已有试验值进行比较分析。研究结果发现:随着比转数的增加,液力透平叶轮出口的滑移量逐渐减小,且对于大部分低比转数液力透平叶轮进口的滑移量小于叶轮出口的滑移量,而对于中、高比转数的液力透平叶轮进口的滑移量大于叶轮出口的滑移量。叶轮出口滑移量随着叶轮进口直径和出口安放角的增加而增大;随着叶片数的增加而减小;随着进口安放角的增加先增大后减小;而叶轮出口直径和叶轮进口宽度对液力透平叶轮出口滑移系数的影响较小,在研究液力透平叶轮出口滑移时可不考虑二者对液力透平叶轮出口滑移系数的影响。研究结果为采用理论的方法预测液力透平的性能提供参考。     

LNG接收站高压泵增加叶轮后的性能变化及影响

随着中国天然气需求量的爆发式增长,LNG接收站外输管道里程不断增长,出站压力随之持续增高,对压缩机、高压泵等设备性能提出了更高要求。以青岛LNG接收站为例,针对外输压力的变化,提出对其4台高压泵增加4级叶轮的改造方法,并对改造后外输高压泵的性能变化及其对LNG接收站工艺运行的影响进行研究。通过对改造后的高压泵扬程、轴功率、效率随着流量增加的变化趋势进行现场测试,结果表明:高压泵增加叶轮后,其扬程、轴功率、效率、电流均显著提高,其中3台高压泵的运行参数可满足LNG接收站现场实际需要,另外1台即使在相同的测试条件下出口压力仍明显偏低;气化器、HIPPS(High Integrity Pressure Protective System)系统、外输管道高报压力及联锁值均需随之上调,接收站高压区连接法兰出现了多处泄漏,应加大巡检频率和力度;当LNG接收站高压泵性能不同时,在运行过程中应该尽量选用性能相近的泵。研究结果可为高压泵的国产化设计、制造提供参考。     

叶顶间隙大小对螺旋离心泵内部压力脉动的影响

叶顶间隙大小是影响半开式螺旋离心泵内外特性的重要因素之一,为充分探究叶顶间隙大小对其内外特性的影响程度及作用机理,该文以一台比转速237的单叶片螺旋离心泵为研究对象,通过设计叶顶间隙专用调节机构,分别调整叶顶间隙大小至0.3、0.5和0.8 mm,与叶轮外径的比值分别为0.13%、0.22%和0.35%。针对3种叶顶间隙大小情况,同时进行外特性试验和压力脉动试验研究。压力脉动的监测点包括叶轮进口边、叶轮中部、蜗壳第三断面和蜗壳隔舌附近。结果表明叶顶间隙大小与叶轮平均直径的比值应介于0.13%~0.22%之间。同时,结合压力脉动试验获得的实测压力波形图、压力系数波形图及频域图,分析了单叶片螺旋离心泵内部压力脉动的规律,为半开式螺旋离心泵的减振降噪提供参考和借鉴。     

运行参数对倒伞曝气机曝气性能影响试验

转速、浸没深度和液位高度对倒伞曝气机曝气性能的影响较大,为了研究各影响参数协同作用下倒伞曝气机曝气性能的变化情况,该文通过试验研究了不同转速、浸没深度和液位高度对曝气性能的影响。研究表明:在相同转速时随着运行时间的增加曝气池溶解氧浓度随之增大,但增幅逐渐降低;随着转速的增加,叶轮对水的做功能力增强,提高了水面的湍动强度及水面下的复氧强度,进而缩短了曝气池达到氧饱和的时间,转速为300 r/min达到氧饱和的时间比150 r/min缩短了约57%。转速、浸没深度和液位高度的改变均会极大地影响倒伞曝气机的性能:转速的增加能够提升倒伞曝气机的标准氧总转移系数和标准充氧能力,但对于标准动力效率的提升有一个上限值,该上限值与浸没深度有关;倒伞曝气机低速运行时,浸没深度和液位高度对标准氧总转移系数和标准充氧能力的影响较小。液位高度的增加会加大倒伞曝气机的标准充氧能力和标准动力效率,但是相同液位高度下,随着转速的增加标准动力效率增幅明显小于标准充氧能力增幅,当液位高度为250 mm时,转速从150增加到300 r/min,标准充氧能力值提高2.91倍而标准动力效率提高1.22倍。该研究可为倒伞曝气机的经济运行提供参考。     

基于奇点分布法的轴流泵叶片翼型设计与计算

为将奇点分布法这一有优势的流体机械叶片翼型设计方法应用于轴流泵叶轮叶片设计,以平面势流理论及数值计算为基础,推导了基于适合轴流泵叶片翼型边界条件的漩涡密度函数的系统应用性计算公式,所获结果将准确确定各翼型骨线关键节点位置,它们形成的翼型骨线在满足给定设计点泵的性能参数的同时,还能形成要求的流动奇点与驻点,由此产生流动损失最小的叶片翼型。以该方法改型设计的一台轴流泵的型式试验表明,设计泵在设计点的效率由原来的78%提升到85%,特性曲线符合要求。该研究深化了轴流泵叶轮叶栅流动理论,将奇点分布理论转化为轴流泵叶轮翼型的实用设计方法,为设计技术人员提供了开发新产品的工具。     

基于CFD的离心泵优化设计与试验

为了提高离心泵的效率,以叶轮效率最大为优化目标进行优化设计。对叶轮进行参数化设计,以实现叶轮几何形状的自动控制以及为优化计算提供优化变量。选择控制叶片积叠线周向定位的2个参数作为优化变量,以?3°～3°作为优化变量的约束范围。利用人工神经网络的学习功能,建立了目标函数与优化变量之间的映射关系。采用遗传算法寻找目标函数的最优值,得到优化变量约束范围内的最优叶轮模型。数值计算结果表明：在设计流量点1 200 m3/h时,优化后叶轮的效率较优化前提高了4.02个百分点,离心泵的效率提高了4.41个百分点,扬程提升了2.63 m。针对非设计工况点性能改善不明显这一问题,对原始蜗壳进行重新设计并与优化叶轮组合进行数值计算。在设计工况点效率提高了1.59%,在1.2倍设计工况点处效率提升了9.93%,在1.4倍设计工况点处效率提升了8.83%;较原始叶轮与原始蜗壳的组合,在设计工况点泵的效率提高了6%,在1.2倍设计工况点点效率提高了9.2%,在1.4倍设计工况点点效率提高了8.59%。优化拓宽了水泵运行的高效区,增强了泵的运行稳定性,离心泵的性能得到了优化,叶轮与蜗壳之间的匹配更合理。该研究对离心泵的优化设计提供了参考。     

斜流泵叶轮水力径向力的数值模拟与试验验证

该文采用数值分析法研究了斜流泵叶轮的水力径向力变化规律,通过数值模拟准确地预测了斜流泵的水力性能,扬程预测误差在4.4%以内。通过数值分析获得了斜流泵叶轮的瞬态水力径向力数据,均匀进口条件下,叶轮的瞬态水力径向力均值几乎为零。对瞬态水力径向力进行傅里叶分析,获得其在频域内的分布,结果显示,当工况从0.6倍设计流量点变至0.4倍设计流量点时,1倍和4倍轴频下的径向力突然增大,叶轮的水力不平衡和动静干涉中的叶片通过激励增强了上述频率下的水力径向力数值。流场分析显示,在小流量工况时,叶轮与导叶体之间的回流涡旋完全占据了泵内流道空间。进一步的压力脉动分析证实,在小流量工况下,动静干涉中的叶片通过激励显著增大了叶轮与导叶之间测试点的压力脉动幅值。     

叶轮进口条件对串并联离心泵无过载特性的影响

为了阐明叶轮进口条件对串并联离心泵无过载性能的影响,该文从速度三角形理论出发,引入进口速度加权平均角度(θ),推导了单级模型泵无压直管叶轮进口条件的最大轴功率,以及相对应的流量的计算公式。在此基础上,研究了串并联离心泵分别应用无压半螺旋和有压半螺旋2种不同叶轮进口条件对无过载性能的影响。结合(computational fluid dynamics,CFD)技术,对各模型泵外特性曲线进行了数值模拟,并搭建试验台分别对单级模型泵和串并联离心泵进行试验。分析表明:计算结果与试验结果能够较好地吻合,在设计工况下,扬程误差和功率误差均在5%以内,从而验证了数值模拟结果的正确性。结果证明:不同叶轮进口条件下,得到的轴向速度分布均匀度变化不大,均匀度较好;而流动偏移角(γ)值有较大的差异,γ值越大越有利于无过载性能的实现。该研究结果为串并联离心泵的无过载研究和开发提供了一定的依据。     

基于析因试验的喷滴灌两用自吸泵设计

为了使自吸泵能够同时满足喷灌系统在流量12 m3/h、扬程30 m、滴灌系统在流量18 m3/h、扬程20 m时2个工况点的设计要求,该文采用试验设计(design of experiment,DOE)和数值模拟相结合的方法,对1台50ZB-30C自吸泵的叶轮进行多工况设计改进。重点分析了叶轮几何参数对泵扬程的影响规律,建立了不同工况点的扬程与叶轮主要几何参数之间的回归方程,并对该方程的参数进行赋值计算,得到满足设计要求的叶轮几何参数值。样机试验结果表明:安装了新叶轮的喷滴灌两用自吸泵在流量为12 m3/h时扬程达30.3 m,流量为18 m3/h时扬程达21 m,达到了设计要求。证明通过DOE方法能够建立数学模型来描述不同工况点的扬程与叶轮几何参数之间的关系。随着叶片包角的增大和叶片出口安放角的减小,扬程曲线会更加陡峭。研究为泵的多工况设计提供参考。