超低比转数多级离心泵水力优化与性能试验

为提高现有超低比转数多级离心泵水力性能,基于ANSYS CFX软件,对多级离心泵内部全流场定常流动进行数值模拟,通过定义叶轮、泵腔、导叶扬程及效率,分别分析叶轮、泵腔、导叶内能量转换与流动损失情况,得到影响多级离心泵性能的主要因素为叶轮与导叶的匹配,次要因素为叶轮内的流动损失.提出取导叶喉部进口绝对速度为叶轮出口绝对速度的1/2计算导叶喉部面积,并逐步优化设计一流道式导叶,通过调整叶片型线消除叶轮流道内旋涡.优化后的叶轮与导叶各处速度变化均匀缓慢,大大降低了流动损失.将性能较优的模型进行制造和测试,测试结果表明,优化后方案的额定工况下扬程提高8.1 m,效率提高3.2%,达到了国家标准,取得了较好的优化效果.将数值模拟结果与试验结果进行对比,分析二者的差异,为进一步优化改进超低比转数多级泵的水力设计方法提供参考.     

离心泵前置导叶设计与试验

借鉴传统风机前置导叶调节的经验,并针对其采用的二维翼型在叶片轮毂处由于翼型弦长较短对流体控制能力较差的缺陷,提出一种全新的适用于离心泵前置导叶预旋调节的空间导叶水力设计方法,该方法假定前置导叶出口的流体满足等速度矩条件,通过四次分布函数给定叶片安放角沿轴面流线的分布规律来控制叶片的空间形状,采用逐点积分法进行叶片骨线绘型,在圆柱展开面上对叶片骨线双面加厚完成三维空间导叶的水力设计。在此基础上,将该导叶应用于某离心泵,并对其在不同轴向位置和不同预旋角下进行了性能试验。结果表明：三维导叶能够有效拓宽离心泵的高效运行范围,改善其在非设计工况下的水力性能,且与无前置导叶工况相比,最高效率可提高2.0%,从而达到为离心泵增效节能的目的。     

前置导叶预旋调节离心泵性能的数值预测与试验

在分析叶轮进口流态的基础上,给出了一种用于调节离心泵工况点的前置导叶水力模型设计方法,目的是通过减小离心泵在变工况条件下叶轮进口的冲击损失和回流损失来改善在非设计工况的水力性能,拓宽高效运行范围.基于SIMPLEC算法,通过数值求解Reynolds平均Navier-Stokes方程和RNG k-ε湍流模型方程,模拟了不同预旋角度下前置导叶离心泵全流道的三维湍流流场,外特性计算结果和试验数据吻合较好.在此基础上,分析了离心泵前置导叶预旋调节的基本规律及调节机理.     

多级离心泵叶轮与导叶的匹配特性

基于CFX软件,采用k-ε模型对某一立式三级离心泵全流场进行数值模拟,并进行试验验证,表明在设计工况下数值计算结果与试验结果吻合较好,但泵内流场分析发现,叶轮-导叶间隙及导叶内的流动损失较大.为了减少流动损失,提高多级离心泵叶轮与导叶之间的匹配特性,分别重新设计4种采用不同进口结构形式的导叶.在设计工况下对4种不同进口的导叶模型进行定常数值计算,并对水力性能、内部流动规律及叶片表面压力分布规律进行分析.结果表明:导叶进口采用扩散结构,与叶轮出口边相平行的模型水力性能最好;导叶进口采取扭曲结构时,能够提高叶轮扬程,但也会增大导叶与叶轮间隙的流动损失,并导致导叶进口压力不稳定;当导叶进口与叶轮出口平行时,可以减小导叶内的流动损失,提高导叶的水力性能;当导叶进口与轴线平行时,可以弱化叶轮与导叶之间的干涉作用,提高叶轮的水力性能,但会增大叶轮与导叶间隙处产生的流动损失.     

AP1000核主泵模型泵导叶水力设计与数值优化

采用基础水力设计方法,利用模型泵叶轮外参数设计AP1000核主泵直导叶;基于CFD的数值计算与分析结果,针对所设计的直导叶内部流场流动损失较大的问题,提出2种不同的优化设计方案:第1种直接在直导叶的基础上进行优化设计;第2种采用叶轮与导叶配合设计的方法,将直导叶转化为扭曲空间导叶,并对其进行优化.在空间导叶的优化中也考虑了2种方案,对叶型进行参数化造型,然后生成样本数据库,选择叶轮加导叶结构的水力效率作为优化的目标函数,利用人工神经网络和遗传算法对不同空间导叶叶型进行多次优化改进,最终获得与叶轮水力性能匹配优良的核主泵导叶.最后讨论了不同导叶叶片数对水力效率的影响,从流动的角度对导叶叶片数的选取提供了理论指导和参考.     

多级离心泵水力性能数值预测涡量分析法

为了研究利用CFD技术预测多级离心泵水力性能的方法,选取某一多级离心泵为研究对象.采用数值模拟方法获得了多级离心泵内部全流场信息.分别选取多级离心泵单级、二级、三级的三维模型进行全流场数值模拟,获得了3种三维模型各水力部件内部的的水力损失,通过对计算结果分析发现,多级离心泵内部各级水力损失大小基本类似,不随级数的不同而改变,这为通过对少级数的数值模拟以预测更多级数的泵性能提供了依据.通过对多级离心泵内部流场各级能量损失进行分析,分析各级能量损失特征及其流动特点,发现各级涡量分布基本一致,损失特性相同,只在最后一级导叶内部的涡结构有一定的区别.采用能量分析结合多级泵内部流场涡动力学分析方法建立了多级离心泵性能数值预测的计算方法,并建立了多级离心泵性能预测基于少级数模型数值分析的计算公式.     

射流离心泵动静叶栅匹配的水力与声学性能优化设计

为提高射流离心泵叶轮和导叶水力设计水平,优化动静干涉对泵的水力性能及其声学响应特性影响,采用正交试验方法结合CFD/CFA(计算流体动力学/计算流体声学)技术对叶轮与正导叶的动静叶栅匹配进行多目标优化设计,试验设计统筹考虑叶轮和正导叶相关结构参数,分析叶轮叶片数、叶轮叶片型线、导叶叶片数、导叶叶片型线及动静叶栅间隙对射流离心泵扬程、水力效率和动静叶栅内部流体动力噪声的影响规律,采用矩阵分析法确定多目标优化方案,获得综合性能最优的动静叶栅匹配组合。结果表明:优化后,额定工况下泵的扬程不变,水力效率提高0. 5个百分点,动静叶栅内的整体噪声明显降低,其中叶轮诱导噪声降低7. 1%,导叶诱导噪声提高2. 2%,验证了权矩阵分析法确定多指标优化方案的可行性;低噪声射流离心泵设计的关键是合理确定动静叶栅间隙及动静叶栅的叶片数;动静叶栅的不同匹配方案对射流离心泵扬程的影响比对其水力效率的影响更加敏感,对导叶诱导噪声的影响比对叶轮诱导噪声的影响更加敏感;压力脉动引起具有偶极子特性的流体动力噪声,导叶诱导噪声的频谱特性与压力脉动的频谱特性基本一致,但叶轮诱导噪声的频谱特性与压力脉动的频谱特性有较明显的区别。     

导叶出口边位置对深井离心泵性能的影响

选取100QJ30型混流式深井离心泵作为研究对象,借助数值模拟和性能试验的方法,研究导叶叶片出口边位置不同对深井离心泵性能的影响,并分析其内部流场的差异性和规律性.在导叶叶片主要几何参数不变的情况下,调整叶片出口边轴向位置,确定3种不同的导叶方案,其叶片出口边与导叶场域出口的轴向距离分别为6,3和1 mm.采用Ansys CFX软件分别对3个方案进行数值模拟,以两级泵模型建立计算域,划分结构化网格,基于标准k-ω湍流模型和标准壁面函数进行多工况数值模拟,分别对3个方案进行了性能预测,并对预测结果进行了对比分析.结果表明:导叶叶片出口边延伸可抑制由于脱流而产生涡核的演化与成长,进而消除导叶流道内的旋涡,改善次级叶轮进口处液体的流场分布.较前2个方案,方案3中的导叶结构较大幅度提升了导叶的整流能力.     

向心径向导叶内部流场的多工况PIV测量

为了掌握导叶内部的真实流动形态,完善导叶水力设计方法,设计了一个独特的PIV试验台,对向心径向导叶内部流场进行了PIV试验测量.试验泵段取自多级深井离心泵的一级,通过2个高强度水润滑轴承支撑起整个泵轴,借助45°安放的镜面对流场图像进行折射.通过相平均方法获得了不同工况下导叶中截面的速度场分布.结果表明：在设计流量附近,导叶内部流动较为稳定规整;在大流量下,由于导叶进口过流面积有限,液体流动受阻,产生了较大的冲击损失;在小流量下,流道内产生了流动分离和旋涡,旋涡的强度随着流量的减小而逐渐加强,而且涡核的位置也由靠近导叶叶片吸力面逐渐向导叶流道中部移动;导叶进口处产生较大的水力损失,导叶进口安放角对泵性能影响较大;为改善小流量工况下的流场,导叶流道中部的过流面积需要进一步调整.     

扩散导叶对贯流泵装置性能影响

贯流泵装置中扩散导叶的叶片数是影响其装置水力性能的一个因素,故有必要对其进行计算和分析.通过CFD方法对配有不同导叶体的灯泡贯流泵装置内部三维流动进行了全流道数值模拟计算,获得了5种不同方案（4片、5片、7片、8片导叶和改进后的5片导叶）下贯流泵装置水力性能以及导叶段的水力损失,分析了不同导叶叶片数和叶片形状对贯流泵装置外特性的影响.结果表明,导叶体内的水力损失基本上随着导叶叶片数的增加而增大,而泵装置的效率不完全符合这一规律;采用5叶片导叶方案的泵装置效率较高,且内流场的压力和流速分布较为均匀;改进后的5叶片导叶体内的水力损失最小,泵装置效率最高,提出了对确定叶轮的最佳导叶叶片数的匹配.     

导叶叶片数对多级离心泵压力脉动的影响

为了研究叶轮叶片数与导叶叶片数有无最大公约数对多级离心泵内部压力脉动的影响,在保证设计点外特性基本不变的前提下设计了4种不同叶片数的导叶,基于标准k-ε方程,应用CFX软件对M120多级离心泵的设计点工况进行定常和非定常计算,得到次级泵体叶轮和导叶内各监测点的压力脉动时域图和频域图.结果表明:数值模拟结果与外特性试验结果相吻合,证实了数值模拟的可行性.叶轮与导叶叶片数存在最大公约数的匹配方式对多级离心泵内部静压分布有影响,主要表现为正导叶进口边周向压力分布呈现周期性分布规律.导叶内部压力脉动主要受叶轮叶片数的影响,叶频在流动诱导振动中起主导作用.导叶叶片数对多级离心泵内部压力脉动影响较大,导叶内部压力脉动幅值随导叶叶片数的增加而增大.     

基于Gottingen翼型的离心泵前置导叶预旋调节试验

运用轴流泵孤立叶片设计方法,设计了基于Gottingen翼型的前置导流叶片,并对离心泵预旋调节的基本规律及调节机理进行了试验研究.通过对比前置导叶的不同安装方式对单吸离心泵效率、功率的影响,发现单吸离心泵采用前置导叶长弦端靠近中心轴的安装方式对离心泵外特性的改善效果要优于前置导叶短弦端靠近中心轴的安装方式,而且长弦端靠近中心轴安装方式前置导叶能够有效拓宽离心泵的高效运行范围,改善其在非设计工况下的水力性能,且与无前置导叶工况相比,最高效率可提高2.3％,从而达到为离心泵增效节能的目的.     

两级离心泵径向导叶水力优化

为提高已有两级离心泵中径向导叶的水力性能,按照正交试验要求,选取径向导叶的喉部面积、扩散角、反导叶数、反导叶高度4个因素,每个因素取3个水平,设计9个导叶.基于ANSYS CFX软件,选取k-ε湍流模型,并结合全隐式耦合算法对装配具有不同几何参数径向导叶的两级泵全流场进行数值计算,获得了9组设计方案在额定工况下的扬程、效率.以泵的扬程和效率作为试验指标,利用极差分析法分析了所选几何参数对于两级泵扬程、效率的影响规律,以及影响径向导叶性能的主要因素和次要因素,提出了性能较优的径向导叶方案.径向导叶喉部面积对两级泵的扬程、效率影响较大.经数值计算可得,较优方案的额定工况下的扬程为211.70 m,效率为47.63%,较之优化前的径向导叶,扬程提高了1.24 m,效率提高了4.00%,取得了较好的优化效果.     

多级离心泵导叶的时序效应

为研究不同导叶时序位置下离心泵性能变化,以一台节段式2级离心泵为研究对象,采用RN G k-ε湍流模型对不同导叶时序位置下泵内流场进行数值计算.以次级导叶相对于首级导叶的周向顺时针旋转10°为一个时序位置,共设计6种时序方案.研究结果表明:在1.0Qd工况下,相比较无导叶时序方案,当旋转角度φ为导叶叶片间夹角的1/2时...     

Influence of long and short guide vanes on hydraulic performance of water-jet pump

Different guide vane structures will affect the flow inside the pump,and then affect the transformation of the pressure energy and kinetic energy,and change the velocity distribution of the pump outlet.In order to study the influence of long and short guide vanes on the water-jet pump,on the basis of conventional design,eight schemes of guide vane with different vertical heights were designed in the method of computational fluid dynamics for numerical calculation,the performance curve of water-jet pumps with different long and short guide vanes was obtained,and finally the influence of different guide vanes on hydraulic performance and internal flow was analyzed.The results show that all of schemes reducing the height of blade can improve the head and efficiency.In the schemes reducing the height on the shroud,the guide vanes that the height of the blade is equal to the height difference between hub and shroud in impeller have the highest head and efficiency.In all schemes decreasing the blade height,with the increase of the height difference,the velocity increases gradually and the distribution of turbulence kinetic energy becomes more reasonable in the guide vane outlet.The schemes reducing the height on the hub have more reasonable distribution of velocity and turbulence kinetic energy according to schemes reducing the height on the shroud.The guide vanes of long and short blades can be used to stagger the position of the diffusion flow generated by adjacent blades,which can reduce the effect of the velocity circulation and make the flow of the outlet position more stable.     

空间导叶式离心泵的数值计算及优化设计

基于Navier-Stokes方程和标准k-ε湍流模型,采用SIMPLEC算法对一空间导叶式离心泵进行全流道三维湍流数值计算,分析了导叶式离心泵在设计工况下整个流道、环形空间及其空间导叶内部的流场分布,并进行试验验证计算结果.结果表明,叶轮叶片吸力面靠近进口区域压力最小,出现负值,该区域将有可能发生空化;液体流经叶轮和空间导叶之间的环形空间时将产生较大的冲击损失;液体由叶轮出口高速旋转流出经过环形空间流入空间导叶,空间导叶进口附近流速较大,在空间导叶吸力面的入口处存在二次流.试验结果和计算结果吻合较好,在相同流量下数值计算结果和试验数据的最大误差基本小于15%,在可以接受的范围之内,证明了数值计算的有效性.该研究结果为空间导叶的几何参数优化提供了一定的理论参考.