蜗壳断面面积变化规律对双吸离心泵水力性能的影响

针对某泵站S700-500-730型双吸离心泵运行时引发的断轴问题,采用CFD数值模拟方法,通过与蜗壳断面面积线性变化规律(以下简称L-规律)进行对比,分析了原型泵采用的蜗壳断面面积变化规律(以下简称Y-规律)对水力性能以及径向力的影响.结果表明:在定常工况下,2种规律的双吸离心泵在设计工况下水力性能相近,相较于L-规律方案,采用Y-规律设计的蜗壳作用在叶轮上的径向力增大高达24.77%;在非设计工况下,相较于L-规律方案,采用Y-规律设计的蜗壳水力性能更加优越,但是作用在叶轮上的径向力要高于采用L-规律方案时作用在叶轮上的径向力;在非定常工况下,Y-规律方案的脉动幅值以及高频脉动都要比采用L-规律方案设计时明显得多.蜗壳断面面积变化规律对作用在叶轮上的径向力影响显著.研究结果可为解决由于径向力过大导致断轴问题提供一定的理论依据.     

双吸离心泵中叶轮轴向窜动对水力性能影响分析

叶轮和泵腔的相对位置在双吸离心泵能量转换中有着不可忽略的作用,对泵的性能有着至关重要的影响。在保证某离心泵基本参数不变的情况下,改变叶轮在泵腔中的轴向位置,通过数值模拟,分析叶轮轴向窜动对其水力性能的影响。结果表明:随着叶轮轴向偏移距离的增加,该离心泵的扬程、轴功率逐渐降低,效率略有降低。     

蜗壳基圆对离心泵性能的影响

通过联立蜗壳的两个不同形式特性方程,得出了基圆直径的计算公式,建立了基圆直径和蜗壳喉部面积及叶轮外径之间的关系。为了验证公式的准确性,在保证蜗壳其他主要几何参数不改变的前提下,取基圆直径分别为叶轮外径1.05,1.10,1.15,1.20倍的不同的蜗壳与同一叶轮匹配,数值模拟和试验分析了蜗壳基圆和泵性能的关系。结果表明:在一定范围内,随着基圆的增大,流量扬程曲线有明显的变化,符合公式给出的变化趋势,且较大基圆对流量扬程曲线的驼峰有显著的改善;但是超过一定范围后,由于蜗壳和叶轮之间间隙的二次流增加,致使泵性能明显下降。     

双吸离心泵蜗壳面积比对水力性能的影响研究

双吸离心泵具有流量大、扬程高的特点,被广泛应用于农业输水灌溉等工程。双吸泵的蜗壳和叶轮间具有动静干涉作用,两者之间的匹配形式会对水泵的水力性能产生影响。将CFD数值模拟和已有试验数据相结合,通过研究不同比转数的双吸离心泵蜗壳面积比对水力性能的影响,得出不同比转数下双吸离心泵最优蜗壳面积比规律。研究发现,当蜗壳面积比在原有基础上增加时,其最高效率点向大流量工况偏移,且扬程和效率有下降的趋势,设计工况附近的平均效率降低;当蜗壳面积比减小时,其在一定范围内扬程和效率均出现上升,最高效率点偏向于小流量工况,但是当降低到一定程度时,扬程和效率均会出现急剧的下降,最终通过总结各个比转数双吸泵的最优蜗壳面积比,得到随着比转数的增加,最优蜗壳面积比增加,高效区范围逐渐加宽这一规律。     

交错叶片对双吸离心泵性能影响的数值分析

为减小压力脉动对双吸离心泵性能的影响,设计常规双吸叶轮的ES350-585型双吸离心泵进行外特性试验和数值模拟,再将原双吸叶轮两侧叶片交错布置进行数值模拟,交错角度分别为0°,10°,20°,30°.采用Gridpro软件划分结构网格,应用CFX软件对5种方案的双吸离心泵模型进行不同工况下三维非定常数值计算,得到泵内部流场静压分布和压力脉动特性.计算结果表明:采用两侧叶片交错布置的双吸叶轮可以有效降低离心泵内压力脉动;随着交错角度的增大,压力脉动幅值呈递减趋势;当交错角度为30°时,压水室内压力脉动幅值最小,此时压水室内静压分布最均匀.     

离心泵水力性能数值预测

采用标准κ-ε湍流模型和SIMPLEC 算法,将近年来快速发展的CFD技术应用在不同的工况下,并对离心泵内流场三维不可压湍流的流动进行数值模拟,揭示了泵内部湍流流场的分布规律,对于了解离心泵内部的流动情况、改善内部流动、提高离心泵的效率和改进离心泵的水力设计有一定的参考价值.     

不同断面型式蜗壳对离心泵性能影响的数值模拟

基于SSTk-ω模型封闭的雷诺平均方程,应用ANSYSCFX11.0软件,在原离心泵马蹄形断面蜗壳的基础上重新设计了圆形断面和矩形断面两种蜗壳,并分别将3种不同断面的蜗壳与同一叶轮组合进行三维数值模拟.计算结果表明,不同型式断面的蜗壳对离心泵性能有一定的影响,矩形和圆形蜗壳在大流量工况区的效率比马蹄形蜗壳略有提高,在设计点,矩形蜗壳的效率比马蹄形的略低,但大流量工况却高;在小流量工况圆形蜗壳的扬程比马蹄形蜗壳的扬程低,而矩形蜗壳和马蹄形蜗壳相差不大,在设计点矩形蜗壳和马蹄形蜗壳略高于圆形蜗壳,在大流量工况马蹄形蜗壳的扬程有所降低.不同的断面型式对蜗壳的水力损失也有一定的影响,而且随着流量的变化损失也在变化.矩形蜗壳壁面上的压力脉动的幅值在设计流量工况较马蹄形蜗壳和圆形蜗壳要小一些.     

粘度对离心泵蜗壳内部流动的影响

利用LDV分别测量了离心泵最优工况和小流量工况下矩形断面蜗壳内3个断面的清水和粘油平均流动。试验表明，蜗壳内部液体绝对速度的圆周分速度比径向分速度大一个数量级；蜗壳断面内存在旋向相反的一对旋涡；液体粘度越大，蜗壳内部流动越不均匀；蜗壳断面内流体角动量不守恒，液体粘度越大，角动量越不守恒；最优工况和小流量工况时，蜗壳内部流动都是扩散流动；液体粘度越大，流动扩散越小。     

基于数值模拟的双吸离心泵设计及优化分析

针对传统一元理论无法满足泵设计发展的现状,通过改进一元设计法与CFD技术相结合进行离心泵的设计.在此基础上,根据宁东供水工程水泵参数设计双吸离心泵,并利用CFD技术分析了泵内非定常压力脉动情况,进而确定交错叶轮布置的优化方法,同时比较了设计泵与原型泵的外特性,验证了改进一元设计方法的可靠性,为离心泵设计提供了新思路.     

离心泵叶轮出口盖板形状对水力性能的影响

利用CFD数值模拟和试验两种方法,以Y80—100低比转速离心泵为研究对象,分析了离心泵叶轮出口盖板形状与水力性能的关系,对传统的圆弧形盖板和新型的直边型盖板进行了研究.从理论上分析了直边型盖板对离心泵性能曲线的影响.利用有限体积法对雷诺时均Navier-Stokes方程进行离散,选用RNGk-ε湍流模型,压力和速度耦合采用SIMPLE算法,对两种水力模型在7种不同工况下分别进行数值计算,由数值计算结果重点分析了小流量工况下两种模型内部流场的动压、静压分布情况,并绘制性能曲线,预测曲线与试验曲线基本一致.研究表明：新型的直边型盖板具有消除性能曲线驼峰,提高泵的流量、扬程的特点.研究成果有较好的实际工程应用价值.     

双吸离心泵叶轮内泥沙磨损非定常特性研究

双吸离心泵广泛应用于黄河沿岸的泵站中,其主要部件叶轮普遍存在磨损问题。叶轮是高速旋转的部件,存在动静干涉作用,导致叶轮内的磨损特性是非定常的。采用欧拉-欧拉方法对双吸离心泵进行固液两相流非定常计算,分析了不同工况下,叶轮壁面上的磨损率、冲击角、固相体积分数和速度的非定常特性。结果表明,叶轮表面磨损率、冲击角、固相体积分数和速度均具有周期性,等于叶轮旋转周期;定常计算的磨损率远小于非定常结果,定常计算不能准确预测磨损率。磨损最大部位为叶片头部和尾部。冲击角对磨损损失具有增强或减弱的作用,冲击角脉动曲线与磨损率脉动曲线相似。固相体积分数对磨损脉动特性影响较小,对磨损率有所影响。固相速度对磨损率影响显著。     

双吸式离心泵叶片吸力面泥沙磨损破坏规律与形成机制研究

离心泵叶片泥沙磨损是引黄泵站面临的工程难题,采用模型试验及数值模拟相结合的方法,分析了双吸式离心泵叶片出口的磨损破坏规律及其形成机制。采用多层涂层法、丝线法和内窥式成像技术对叶片的磨损特征和近壁面流态进行了分析,并结合数值模拟分析了叶轮流道内的旋涡结构及颗粒轨迹。研究发现：叶片吸力面出口存在左右近似对称的“三角形”磨损破坏区域,该区域存在明显的流动分离;叶轮内的叶道涡和出口回流涡是导致叶片吸力面出口磨损的主要原因。源于叶片压力面进口的叶道涡诱导泥沙颗粒向叶片吸力面出口聚集,造成吸力面出口的集中磨损;叶片吸力面出口附近存在的回流涡诱导颗粒进行轴向旋转运动,加剧叶片吸力面出口的磨损破坏。本研究为双吸式离心泵的抗磨损设计提供了理论支撑。     

离心泵蜗壳内部三维不可压湍流场数值研究

基于标准k-ε湍流模型,采用SIMPLEC算法,在贴体坐标系下,通过求解时均化的Navier-Stokes方程,对离心泵蜗壳内部三维不可压湍流场进行了数值模拟。得到了离心泵蜗壳内速度、速度矩、压力等参数的分布,分析了蜗壳内部流动的特征。研究结果表明:蜗壳对称面上流动比较均匀,随着半径的减小,周向速度分量和径向速度分量逐渐增加,且径向速度分量增加得较快;各径向截面上,速度分布的对称性好,幅角>160°后,径向截面上出现二次流现象;速度矩沿径向的分布随半径增大略有提高,沿蜗壳幅角方向的分布不等于常数,但其平均值基本不变;蜗壳内压力分布较为均匀,只是在隔舌附近有较大的压力梯度;流量沿蜗壳包角的分布基本遵循线性规律。     

基于动态边界的双吸离心泵叶片渐进磨损及泵性能预测

过流边界形态随磨损时间的变化对客观真实地反映双吸离心泵磨损特性及磨损形貌至关重要。采用欧拉-拉格朗日方法,配合磨损壁面几何重构的动态边界法,对黄河平均含沙量及粒径下甘肃省景泰川泵站双吸离心泵进行固液两相流计算,结合实验数据,预测了该泵叶片渐进磨损特性,分析了叶片磨损机理及壁面几何形貌变化对泵性能影响。结果表明：以冲击角函数最大值对应冲击角α0为阈值,小于α0磨损形貌呈类圆形凹坑,大于α0磨损形貌呈沟槽状,冲击角在50°~75°范围且冲击速度高的叶片区域磨损率大,叶片磨损程度严重;根据该泵水力性能损失率变化特性,将预测期划分为3个阶段,磨损率在初期增长率最大,但在数量级上远小于中、后期,使前1000h磨损阶段扬程损失率、效率损失率、叶片质量损失率均小于其他阶段;上述3个参数的增长均呈初期慢、中期快、后期减缓的趋势,最大增长率均在磨损中期,参数变化曲线斜率分别为1.51×10-3、1.97×10-3、4.12×10-3,在1000~6000h磨损时长范围内,磨损导致双吸离心泵性能下降最快。     

叶轮直径对双蜗壳离心泵压力脉动特性的影响

为分析叶轮直径对双蜗壳离心泵压力脉动特性的影响,采用SST k-ω湍流模型和SIMPLEC算法对不同叶轮直径下的双蜗壳离心泵进行数值计算,将外特性参数试验结果与计算结果进行对比。研究表明,离心泵外特性参数(扬程H与输出功率P)随直径变化是等梯度的,并且计算值与试验值基本吻合;小流量工况下压力脉动幅值高于其他流量工况,叶轮直径变化会使叶片弯曲度发生改变,受动静干涉以及射流-尾迹的影响会出现脉动叠加现象,从而在叶片通过频率的倍频处(3fBPF或4fBPF)产生高幅值脉动;隔舌区域流动混合现象最为明显,且除D^2/D2=1(模型3)以外,隔舌位置处的压力脉动峰值均出现在叶片通过频率处。对于所选取的模型,除过隔舌区域监测点之外的其他监测点处压力脉动峰值处的脉动幅值随叶轮直径增大逐渐增大,且最大幅值波动达到23.8%。叶轮直径变化时射流-尾迹与动静干涉作用对离心泵内部压力脉动特性有重要影响。     

基于改进欧拉算法的双吸离心泵泥沙磨损特性研究

固液两相流算法对双吸离心泵泥沙磨损模拟精度有直接影响。采用改进的固液两相流欧拉算法,考虑了相间阻力和泥沙扩散系数两方面因素,对典型悬移质泥沙粒径条件下的双吸离心泵流场进行了数值计算。研究发现,叶片表面湍流强度在头部和尾部较大,可达6%~10%;叶片头部和尾部的颗粒动态尺度大于中部。由湍流强度和颗粒动态尺度组成的湍动尺度效应,在叶片头部和尾部表现强烈,湍动尺度效应使固液相间阻力增大,更有利于颗粒的扩散,避免了颗粒聚集,对大颗粒的作用强于小颗粒。湍动尺度效应导致叶片表面固相体积分数分布范围减小,大颗粒的变化值大于小颗粒,叶片头部和尾部的改变值大于中部,叶片表面的严重磨损部位为叶片工作面尾部的块状磨损区,这比采用传统算法得到的带状磨损区和偏磨区计算结果,更符合离心泵实际磨损情况,考虑湍动尺度效应后得到的磨损率也有所增大。在此基础上,提出了双吸离心泵叶片水力设计和表面喷涂防护原则,为提高双吸离心泵抵抗泥沙磨损能力奠定了基础。     

国内外双吸离心泵技术水平对比分析

在对全国泵行业骨干企业进行行业调查的基础上,收集双吸清水离心泵3000余个规格的性能数据,将效率、汽蚀余量两个性能指标的实测数据、标准数据、样本数据分别进行统计分析。介绍了对比分析方法:国内外产品的水力性能指标分别与国家标准进行比较分析,找出差别,将这两个差别再进行比较,从而比较出国内外产品技术水平的差异。对比分析结果为:国外产品的效率指标平均技术水平要高于国内的效率指标2.5%;国内的汽蚀余量指标平均技术水平要优于国外产品0.97m。在效率指标方面,优劣的顺序为:国内的样本值最高、国外的样本值次之、国内的实测值最低。对产生国内外产品技术水平差异的原因进行了分析,主要原因有:转速大小不一致、设计制造水平不同、效率与汽蚀余量性能指标的技术水平不平衡等。     

多级离心泵环形吸水室水力设计优化与数值计算

根据某多级离心泵设计要求,按环形吸水室水力设计方法,设计8种几何参数不同的吸水室设计方案。采用Pro/E软件对吸水室进行三维造型,采用非结构化进行四面体网格划分,采用标准k-ε湍流模型进行数值计算。计算结果表明,水力损失随流量的增大而增大,吸水室进口直径D进对吸水室收缩段流态影响显著。小流量时,8种方案的水力损失差别不大,而大流量时,8种方案的水力损失差异较大。在大流量工况,进口直径越大,则水力损失越小;出口直径越小,则水力损失越大,但影响的效果不明显;环形空间采用弧形结构是降低水力损失的一种有效措施。因此,在选择最优设计方案时,应结合水力和结构两方面因素加以综合考虑。     

基于数值模拟的多级双吸式离心泵性能预测

以北赵引黄工程谢村站用多级双吸式离心泵为研究对象,基于雷诺时均的N-S方程,采用SSTk-ε湍流模型,压力速度耦合使用SIMPLEC计算,对泵内部流动进行了三维定常全流场湍流数值模拟,得到不同工况下该泵内部流动的速度矢量图等流场信息,在对其内部流动规律进行了定性分析的基础上,预测了泵的性能,并与现场测试结果进行了对比分析。分析结果表明,首级叶轮首级压水室以及次级叶轮次级压水室内流动较均匀;由于过渡流道的结构特点以及流动惯性,流体在首级压水室进入过渡流道时,在流道突然扩大区域形成了旋涡,旋涡区域大小与流量有关;预测扬程值与现场测试扬程吻合较好,预测扬程最大误差为2.7%,而预测的流量-水力效率曲线与现场测试流量-机组效率曲线变化趋势一致;水泵内部流动的数值模拟可为工程中泵设计阶段的性能预测和结构优化提供依据。     

单叶片离心泵蜗壳内二次流的非定常特性研究

单叶片离心泵蜗壳内易形成二次流旋涡,容易诱发高幅值的压力脉动,严重时还会降低水泵运行的安全稳定性。基于SST k-ω模型,对单叶片离心泵在典型工况下的非定常流动进行数值模拟,得到了其内部流场和压力脉动特性。结果表明,数值计算结果与实验结果基本一致。对压力脉动特性进行分析,发现在不同流量工况下,泵内流场均表现出明显的周期性变化的压力脉动特性,蜗壳第一断面压力脉动强度最低,第二断面压力脉动强度最高。压力脉动的主频均是叶片通过频率,随着流量的增加主频幅值呈现减小的趋势。进一步对单叶片离心泵的蜗壳内二次流的非定常特性进行分析,发现不同流量工况下,蜗壳内均出现二次流旋涡,并随着叶轮旋转也呈现出周期性变化。蜗壳内的横向速度在额定流量下较小,在非额定流量下显著增大。该研究可为单叶片离心泵机组运行稳定性提供一定参考。