导叶位置对S型轴伸贯流泵装置水力性能的影响

为了研究不同导叶位置对S型轴伸式贯流泵装置水力性能的影响,设计了4种不同导叶相对位置的方案,并分别针对小流量(Q=0.8Q0)、设计流量(Q=1.0Q0)、大流量(Q=1.2Q0)3种工况下的S型轴伸贯流泵装置进行了数值模拟计算。对比数值模拟结果与试验结果,并分析计算结果的外特性与内特性,通过模型试验验证了数值模拟计算结果的准确性。结果表明,泵装置效率和扬程随导叶相对位置逐渐增大呈现先上升后下降的趋势,导叶与叶轮之间的相对距离存在最优值A=10 mm,在此位置时,泵装置效率和扬程相对最高,导叶体水力损失与出水流道水力损失相对最小,导叶体对于动能的回收能力强。小流量与设计流量工况下,出水流道进口平均涡角的大小随导叶相对位置先减小后增加,对应出水流道水力损失先下降后上升的趋势。大流量工况下,平均涡角不随导叶相对位置变化而变化。     

轴流泵装置运行工况对肘形进水流道水力性能的影响

为研究肘形进水流道的水力性能与泵装置运行工况的定量关系,采用CFD(Computational fluid dynamic)方法对轴流泵装置进行全流道的数值计算,在考虑了轴流泵与肘形进水流道内流相干条件下定量地分析了肘形进水流道水力特性各参数与泵装置运行工况的关系,并给出了相应的数学模型,对比了物理模型试验与数值预测结果的差异性。结果表明:在高效工况范围内,流道出口流场水流稳定性及均匀性均较好;在大流量工况时,流道出口流场水流稳定性及均匀性较差。流道出口流场的偏流角受泵装置运行工况的影响较小,极差为0.91°。肘形进水流道均化效率为99.215%,流道断面的均匀性主要受弯肘段几何边界条件的约束,在弯肘段时压能与动能的转换率较高,对于肘形进水流道结构尺寸设计及优化的关键在于弯肘段。     

轴流泵多工况优化设计及效果分析

为了提高轴流泵非设计工况的运行效率,拓宽轴流泵高效区范围,对轴流泵进行多工况优化设计。结合轴流泵段的模型试验,采用数值模拟手段和数值优化技术,改变叶轮的几何设计参数。对轴流泵叶片进行参数化建模,再对轴流泵叶轮结果进行泵段数值模拟。最后以轴流泵段3个流量工况点的加权平均效率最高,扬程为约束条件,改变轴流泵叶轮的设计参数,对轴流泵段进行多工况优化设计。研究结果表明:优化后轴流泵段效率曲线较初始泵段明显变宽,其中小流量工况点效率提高约2.6%,设计工况点效率提高约0.5%,大流量工况点效率提高最多,约7.4%,而对于扬程变化范围较小,各工况点扬程均能满足运行要求,大大降低了运行成本,缩短了优化设计的周期。同时采用CFD计算的学科分析方式,结合试验研究的手段取代人工凭经验的优化方式,证实了轴流泵段多工况优化设计的可靠性、高效性。该研究将为泵站的高效运行和轴流泵的多工况优化设计提供参考。     

箱涵式轴流泵装置进出水流道优化设计

基于RNGk-ε紊流模型和雷诺时均N-S方程,运用CFD商用大型软件对箱涵式进出水流道立式轴流泵装置进行了三维流动仿真计算及水力特性的优化设计。通过先部分后整体的方法先独自对箱涵式进水流道进行优化计算,而后在整体泵装置上对箱涵式出水流道进行优化计算。进水流道的优化以出口断面流速均匀度和水力损失为目标函数,出水流道的优化则以泵装置效率和水力损失为目标函数。通过数值计算得出,优化后箱涵式进水流道的水力损失由7.52cm降低到3.49cm,进水流道出口流速均匀度由42.41%提高到89.11%,进水流道的悬空高度H和进水喇叭管与叶轮间的连接角度α对进水流道水力特性的影响显著,设计时应该重点考虑。箱涵式出水流道的水力损失由87.15cm降低到76.37cm,出水流道的设计应重点关注导流墩与出水喇叭管的半径差Δr和出水导流墩的半径R,合适的出水导流墩半径在0.75倍导叶出口直径左右。泵装置模型试验在叶片安放角-4°时,设计工况下泵装置效率达到75.0%,泵装置最高效率为75.67%,高效区运行范围较宽;对比数值计算和模型试验的结果可以发现误差最大处低于5%,整体性能曲线的趋势相对良好,说明数值模拟对于泵装置的优化是合理的,对于实际工程具有指导意义。     

轴流泵叶片多学科设计优化

在对水力性能和结构分别进行学科分析的基础上,通过2个学科的耦合关系,建立了轴流泵叶片多学科设计优化的数学模型。采用协同优化算法,实现了同时满足叶轮效率最高和叶片质量最轻的优化目标。优化结果表明,多学科设计优化提高了轴流泵叶片的综合性能,可有效兼顾高效、轻量化的要求。水泵叶片多学科设计优化模型的协同优化算法高效、可行。     

全贯流泵回流间隙对泵水力性能的影响

为了研究全贯流泵回流间隙对泵水力性能的影响，利用CFD软件对全贯流泵装置进行了数值模拟计算，分析了全贯流泵装置的流动特性和水力性能，并通过模型试验验证了计算数据的可靠性。研究结果显示：回流间隙对全贯流泵的水力性能有较大的影响，且随着电机转子间隙的增大，泵装置在设计工况下的效率和扬程均逐渐降低。当回流间隙为0.65mm时，全贯流泵在设计工况下的扬程为3.05m，效率为82.46%，最高效率为82.66%。当回流间隙为2mm时，全贯流泵在设计工况下的扬程为2.92m，效率为80.85%，最高效率为81.27%，两种回流间隙的泵装置在设计工况下的扬程差值为0.13m，效率差值为1.61个百分点。随着流量的增大，全贯流泵叶轮进出口的压差逐渐减小，间隙回流流量也逐渐减小，间隙回流对叶轮进出口的流态影响也减小。距离轮缘越近，回流对流态的影响越大。随着回流间隙的增大，全贯流泵的间隙流量变大，间隙回流对叶轮进出口的流态影响增大，叶轮的做功能力逐渐变差，全贯流泵的扬程和效率均逐渐下降。     

轴流泵装置调速性能的非线性回归模型研究

利用理论推导和试验数据相结合的方法,通过多元非线性回归分析得出轴流泵装置调速性能模型。根据水泵基本方程,结合假定条件推导出轴流泵装置扬程、效率关于转速、流量的特性方程。利用高精度水力机械试验台分别对2种不同类型的轴流泵装置试验测试,分析得出效率和扬程特性曲线随转速变化呈非线性变化的结论。利用试验数据作为观测值,特性方程作为预测模型,利用nlinfit函数和遗传算法相结合的多元非线性回归算法计算得出特性方程的待定系数。对2个算法的分析比较发现,单独利用多元非线性回归算法所求得的系数解趋于局部最优,而结合遗传算法后能得到全局最优解。将所求待定系数代入预测模型,分别将2种轴流泵装置的扬程、效率调速特性试验数据与预测值进行比较,得出:全流量范围内扬程误差绝对值在0~0.8 m之间,效率误差绝对值在0~8%之间;设计工况点附近扬程误差绝对值在0~0.5 m之间,效率误差绝对值在0~5%之间。     

涉及临界工况点的贯流泵装置外特性与压力脉动试验

为了揭示贯流泵装置正转全特性分区中各种临界工况点的外特性和压力脉动特性,以某比转数1179的灯泡贯流泵装置为研究对象,对该泵装置进行了涉及临界工况点的外特性及压力脉动试验。试验采集了共64个流量工况点的外特性参数和压力波动,着重分析了灯泡贯流泵装置正转全特性分区中各种临界工况点的外特性和压力脉动特性。试验结果表明,关死点为逆流制动工况与常规泵工况的分界点,泵装置靠近关死点处的扬程为6.41m,为设计点扬程的3.27倍,轴功率为15.39kW,为设计点功率的2.67倍。叶轮进口的无量纲压力脉动峰峰值为1.26,叶轮中部为0.99,叶轮出口为0.84,导叶出口为0.23,分别为设计点的2.3、2.8、4.9、23倍。零扬程点为常规泵工况与正流制动工况的分界点,近零扬程点处的流量为设计点流量的1.42倍,轴功率为2.41kW,为设计点功率的0.42倍。叶轮进口的无量纲压力脉动峰峰值为0.21,叶轮中部为0.21,叶轮出口为0.15,导叶出口为0.01,分别为设计点的0.38、0.6、0.88、1倍。零扭矩点为正流制动工况与水轮机工况的分界点,近零扭矩点处的流量为设计点流量的1.63倍,扬程为-1.36m,为设计点扬程的-0.69倍。叶轮进口的压力脉动峰峰值为0.37,叶轮中部为0.31,叶轮出口为0.20,导叶出口为0.04,分别为设计点的0.67、0.89、1.18、4倍。     

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。     

不同翼型轴向积叠的轴流泵水力性能及内部流态

为了研究叶轮翼型轴向积叠方式对轴流泵水力性能和内部流场的影响,以轴流泵模型ZM25为基础,设计了5种不同方式的翼型积叠方案.保持轮缘处的翼型断面不变,其他翼型断面中心沿斜向直线积叠,积叠角度分别为-8°,-4°,0°,+4°和+8°.基于CFX对5种方案在不同运行工况下的水力性能与内部流态进行预测模拟,并将计算结果与试...