基于流动控制技术的低比转速离心泵叶轮研发

低比转速离心泵由于叶轮直径大,出口宽度小,流道扩散严重等原因,导致其效率偏低且很难改善.在计算流体动力学数值模拟和模型泵性能试验基础上,分析了低比转速离心泵效率与内部流动特性之间的关系,为改善泵内流动结构和提高效率提供依据.基于以控制边界层分离为目的的流动控制技术,提出了两种新型的离心泵叶片结构,研制了新的叶轮.为便于比较分析,对新叶轮在保证原模型泵叶轮直径、出口宽度和安装尺寸等主要几何参数不变的前提下进行加工制造,并分别将常规设计的叶片、分流叶片和两种新型叶片的叶轮在同一泵体内进行试验.试验结果表明：分流叶片提高了泵在大流量区域的效率但不能拓宽流量范围,引流叶片使水泵在更大流量范围内运行,并且在整个流量范围内都显著地提高了泵效率.流动控制技术成功地改善了低比转速离心泵内部流动结构并提高了泵性能.     

离心泵非定常计算中叶轮转动位置对性能影响的数值模拟

利用CFD软件,采用Realizable k-ε湍流模型,分别在3种工况下,对1台比转数为71的导叶-蜗壳组合式离心泵的内部流动进行三维非定常数值模拟,获取了离心泵内部流场结构,计算泵的扬程及效率。根据计算结果,分析了叶轮转动位置对泵外特性和内流场的影响。结果表明：当叶轮转动位置不同时,泵扬程、效率随之发生变化,选取某一特定位置处结果作为最终预测结果会产生较大的随机误差;叶轮转动位置的不同,也会对叶轮、导叶、蜗壳流道内的压力场和速度场产生一定的影响。     

射流式离心泵性能及内部流动特性

为研究射流式离心泵内流动机理,以JET750G1型射流式离心泵为研究对象,搭建试验测试系统,分别对不同安装高度下射流式离心泵的空化及能量特性进行试验研究;基于k-ω湍流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型,对0 mm安装高度下泵各工况点内部流动进行数值模拟.试验结果表明:当流量增大到一定程度之后,扬程-流量、功率-流量、效率-流量曲线均急剧下降;随着安装高度的增大,陡降起始点向小流量工况偏移.数值计算结果表明:扬程、功率、效率的数值模拟结果与试验值基本吻合,数值模拟性能陡降起始流量点比试验值大0.5 m³/h;射流式离心泵由于其面积比值较小,射流剪切层被迅速排挤到喉管壁面,泵内最低压力点出现在喉管内喷嘴稍后处,空化最早发生在该处;随着流量的增大,空化区域急剧向叶轮进口扩展,性能陡降起始点正好是泵内初生空化流量点,射流式离心泵的空化性能取决于其射流器的空化性能;射流器能提升离心泵扬程和自吸性能,但射流器内高速回流及强剪切流动,导致其效率及空化性能大幅下降.     

新型自吸离心泵数值模拟及试验研究

应用计算流体动力学软件Fluent对带导流器的射流式自吸离心泵内部流场进行了定常数值模拟,对泵内部流场的速度矢量、静压、总压分布及流动规律进行分析,预测了泵的效率,并与试验结果比较.数值模拟结果表明：带导流器的射流式自吸离心泵的内部流场速度矢量分布趋于平稳,新型导流器的两个出口压力分布均匀,各流道内的压力近似对称分布,泵在设计点数值模拟计算扬程比试验扬程提高6.9%,数值模拟计算效率比试验效率提高0.5%,数值模拟预测的性能曲线与试验性能曲线趋势一致.试验结果表明：带导流器的射流式自吸离心泵的性能曲线稳定、平坦,高效率区范围宽,各项技术指标满足设计要求,该泵的效率比国外同类型相同参数泵的效率提高了16.34%,同时泵体采用铝合金压铸,大幅度减轻了泵的重量,降低了泵的成本,设计合理,结构新颖,体积小,重量轻,运行可靠,操作方便.     

基于fluent对多级离心泵首级的数值模拟

为了解叶轮叶片数对多级离心泵水利性能的影响,基于κ-ε湍流模型,采用SIMPLEC算法,利用Navier-Stokes时均化方程,对仅改变叶轮叶片数的某多级离心泵首级进行数值模拟。通过fluent数值计算得到泵内的压力,速度流场分布,对其进行分析,得出首级叶轮叶片数为六片时,此多级离心泵的内部流场压力及速度分布最均匀。同时利用fluent的后处理结果对此泵进行性能预测,得出叶轮叶片为六片时,泵的效率达到最高值70.68%。     

离心泵压水室断面面积对内部流场影响

为了明确压水室断面面积对离心泵性能的影响,以IS100-65-200型离心泵为模型泵,采用Pro/E对该离心泵进行三维实体建模,基于RNG k-ε湍流模型,对离心泵内部流动状态进行数值模拟,研究压水室断面面积变化对离心泵扬程、效率及轴功率等外特性的影响,分析不同工况下离心泵内部流动规律。结果表明:8个端面面积均缩小10%的压水室结构能够改变离心泵的扬程和效率,对轴功率影响不明显;改型泵与模型泵相比,其压水室静压变化类似,叶轮出口与压水室入口边界处湍动能有增大趋势,压水室出口流体速度更为平稳,能够改变流体的流线分布。     

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。     

叶片载荷对离心泵内流动激励力及噪声的影响

基于大涡模拟技术和边界元方法分析离心泵内非定常流场及流动诱导的结构振动与噪声,研究叶片载荷对离心泵水力性能、流动激励力及流动噪声的影响.数值计算结果表明:相比于低叶片载荷的离心泵,高叶片载荷离心泵的水力效率提高了1.1%~2.9%,流场分布更均匀;相同工况下高叶片载荷离心泵的蜗舌压力脉动系数幅值比低叶片载荷泵高42.6%;叶轮受到的径向力脉动幅度也提高了7.63%;根据声场计算结果,蜗壳壁面振动速度在二阶叶频上最大,高叶片载荷离心泵蜗壳的最大振动速度是低叶片载荷离心泵的5~6倍;蜗壳振动向外辐射噪声的指向性分布也发生了变化,在10°~310°范围内高叶片载荷泵辐射的噪声声压级大于低叶片载荷泵.研究表明叶片载荷是影响离心泵内流动激励力和流动诱导振动与噪声的重要因素,低噪声低振动水泵的设计需综合考虑水力效率与泵内流动激励力.     

背叶片宽度对离心泵水力性能与流场的影响研究

保持叶轮后盖板与泵壳的间隙不变,通过改变背叶片宽度设计出4种不同离心泵叶轮方案。采用CFD仿真模拟对各方案下的模型泵进行了全流道数值计算,得到了背叶片宽度对离心泵外特性与后泵腔流场分布的影响规律。结果表明:背叶片间流道内的低压随其宽度的增加,面积和数值均先减小后增大;后泵腔内的压力梯度过渡均匀,在0.85倍叶轮半径处压力达到最低;当背叶片宽度较小时,叶片间流道内流线基本呈环状,液体流动比较顺畅;背叶片间流道内存在低速区及与叶轮背叶片旋转方向相反的旋涡,背叶片宽度越大旋涡越强烈;背叶片增加了泵的扬程与轴功率消耗,降低了泵的效率,其宽度变化对效率与轴功率影响较大,扬程变化则不明显;研究可为实际工程中控制背叶片宽度提供一定借鉴。     

固液两相流离心泵流动特性及磨损问题研究进展

由于离心泵应用场合广泛,时常输送含有固体颗粒物的流体介质,固液两相流成为离心泵内流动特性研究的一个常见问题.固相介质的加入,导致扬程和效率的下降,甚至造成泵内壁面严重的磨损,对离心泵的运行性能产生较大的影响,降低了离心泵的持续运行寿命.基于以上问题,国内外学者通过理论分析、试验研究以及数值模拟等方法,对离心泵固液两相流问题开展了大量研究,基本掌握了颗粒在离心泵内的运动分布规律及其对过流部件的磨损情况.颗粒的粒径、密度、体积分数以及离心泵的运行工况都将对泵内固液两相流动产生较大程度的影响.文中从固液两相流动特性和磨损问题这2方面介绍了离心泵固液两相流动的研究现状,并综述了主要研究方法和研究成果,为进一步优化水力及结构设计、提高固液两相流离心泵的性能和可靠性、改善磨损状况提供了一定的参考及研究基础.     

离心泵出口角对能量性能影响的F

指出了目前离心泵叶片出口角研究存在的不足。采用FLUENT,在双参考坐标系下,利用有限体积法对雷诺时均Navier-Stokes方程进行数值离散,选用标准k-ε湍流模型,SIMPLEC方法求解,对一比转速为118的离心泵在不同叶片出口角下的内部流场进行了叶轮和蜗壳的耦合数值模拟和能量性能预测。分析了叶片出口角对离心泵内部流场的影响,指出叶片出口角的改变对叶轮内的射流-尾迹结构影响最为明显。能量性能预测结果表明,随着叶片出口角的改变泵效率存在极值点,结合流场模拟结果分析了泵效率存在极值点的原因。     

离心泵汽蚀性能的数值分析

基于离心泵汽蚀的基本理论,应用CFX软件,对1台比转数为132的离心泵的汽蚀性能进行了定常数值计算。根据计算结果,分析了泵汽蚀时叶片上压力以及气泡相分布规律。结果表明:随着泵进口压力的降低,叶轮流道内低压区范围逐渐增大,气泡在叶片表面分布也逐渐增大,并由进口处的低压区向流道内扩展;离心泵汽蚀的出现和发展与泵的流量有关,不同工况时,泵开始汽蚀时气泡在叶片上出现的部位是不同的,在小流量下,气泡首先在叶片背面进口处出现,而在大流量下,气泡最先出现在叶片工作面上。     

智能型射流式自吸离心泵

射流式自吸离心泵机组采用太阳能智能控制系统,泵的工作过程由PLC程序进行控制,泵运转偏离设计工况时,智能控制装置自动调节泵机组转速,从而能使泵在设定工况下稳定工作。并采用智能报警控制装置,当泵机组运行中出现故障时,如柴油机内的油箱温度过高、油压偏低、油箱燃油消耗到限定低位、轴承磨损、泵机械密封损坏等情况,系统报警器立即发出报警并停机,控制系统还可以进行远程控制。该泵采用射流式自吸结构,泵自吸性能完成后,自动将射流器上的阀关闭,可提高泵效率3％～5％。     

无过载超低比转速离心泵改型设计

分析了超低比转速离心泵效率偏低、扬程曲线易出现驼峰以及轴功率易过载的原因,认为超低比转速离心泵水力设计参数选取不合理是造成泵水力性能下降的主要原因。探讨了超低比转速离心泵提高水力性能的方法和措施,从改进离心泵水力设计参数和过流部件的匹配关系入手,解决了小流量工作不稳定,效率较低,扬程曲线产生驼峰;大流量时轴功率易过载等问题。最后对XCM158型离心泵进行了改型设计,实验结果表明改型后泵的最高效率达到了23%,效率有明显的提高;最大扬程达到了32 m,大流量工况下扬程曲线急剧下降;在大流量工况下轴功率曲线出现最大值,完全满足超低比转速离心泵无过载性能要求。表明利用改型设计可以提高泵的水力性能。     

空化条件下离心泵泵腔内不稳定流动数值分析

为研究不同空化发展阶段离心泵泵腔内的流动情况及其对叶轮的影响,提出了一种泵腔区域的拓扑块生成和结构化网格划分方法。在充分考虑近壁区网格质量的基础上,采用SST k-ω湍流模型和Rayleigh-Plesset空化模型对设计工况下某离心泵进行了全流场空化数值模拟,并计算了3种有效汽蚀余量下泵腔内的非定常流动情况及其对叶轮的作用力。结果表明:空化造成泵腔内压力脉动的幅值增大,由于前口环的存在,其前泵腔内的压力脉动幅值大于后泵腔;空化的加剧造成泵腔内宽频脉动的增加,以轴频最为明显;空化的加剧不仅影响泵腔内的流态,同时也增大了设计工况下作用于叶轮上的径向力和轴向力。     

超低比转数离心泵叶轮切割的三维流场数值模拟

为研究超低比转数离心泵叶轮直径切割量与泵性能变化的关系,选取IS 50—32—250型离心泵为研究对象,利用商业软件Fluent对不同叶轮外径下泵的三维流场进行数值模拟,计算出不同叶轮切割量下的叶轮和泵体流场中压力场和速度场的分布。通过对不同叶轮切割量的计算结果分析比较,得出超低比转数离心泵叶轮切割量对泵的效率产生很大影响：叶轮切割量为0.03时,泵的效率突然升高;切割量为0.09时,效率稍有下降;切割量为0.15时,效率突然产生大幅度下降。实际切割中切割量不能大于0.15,否则性能严重下降。     

两段变曲率叶型离心泵设计研究

基于Fluent泵内部全流场数值模拟及性能预测,对IS65—40—200型泵进行了两段变曲率叶型改型尝试．分析了加短叶片前后两段变曲率叶型离心泵性能的变化规律,发现加短叶片后泵的扬程明显提高且效率基本相同．对比了具有不同改型比例的两段变曲率叶型离心泵的性能,分析改型比例对泵性能的影响,确定了改型比例范围．分析了改型前后泵性能的变化规律,总结了两段变曲率叶型离心泵改型方法．提出了两段变曲率叶型离心泵的设计方法：先设计一台基础离心泵,且基础泵最高效率点的流量在小流量区域,再在此基础上改型设计．通过样机试验,验证了此设计方法的可行性．研究表明：两段变曲率叶型离心泵比同设计参数的普通离心泵尺寸小,轴向力低     

带诱导轮的离心泵空化条件下的效率下降规律

为定量研究空化对离心泵能量转换过程的影响,从流道内空泡分布和叶片载荷分布两方面探讨了离心泵效率下降的规律.基于RNG k-ε湍流方程和Rayleigh-Plesset空化模型对带诱导轮的离心泵的空化流动进行了数值模拟,获得了空化条件下影响离心泵效率下降的主要因素,包括扬程、功率及装置净正吸头等,并重点讨论了功率的变化对效率的影响.通过绘制叶片静压分布曲线分析离心泵效率及功率的变化趋势.结果表明：空化对叶片进口和叶片吸力面的压力影响很大;空化发展的过程中,功率的变化可分为3个过程,即功率下降段、功率上升段及迅速下降段;由于功率的下降没有扬程下降剧烈,泵总效率呈下降趋势;根据静压分布曲线及空泡分布图可以发现,叶片靠近后盖板的区域比靠近前盖板区域的空化严重,这也是叶片上不同位置处载荷差异的原因.     

带诱导轮的离心泵空化条件下的效率下降规律

为定量研究空化对离心泵能量转换过程的影响,从流道内空泡分布和叶片载荷分布两方面探讨了离心泵效率下降的规律.基于RNG k-ε湍流方程和Rayleigh-Plesset空化模型对带诱导轮的离心泵的空化流动进行了数值模拟,获得了空化条件下影响离心泵效率下降的主要因素,包括扬程、功率及装置净正吸头等,并重点讨论了功率的变化对效率的影响.通过绘制叶片静压分布曲线分析离心泵效率及功率的变化趋势.结果表明：空化对叶片进口和叶片吸力面的压力影响很大;空化发展的过程中,功率的变化可分为3个过程,即功率下降段、功率上升段及迅速下降段;由于功率的下降没有扬程下降剧烈,泵总效率呈下降趋势;根据静压分布曲线及空泡分布图可以发现,叶片靠近后盖板的区域比靠近前盖板区域的空化严重,这也是叶片上不同位置处载荷差异的原因.     

高速诱导轮离心泵内空化发展可视化实验与数值模拟

为了研究高速诱导轮离心泵内空化发生发展规律,采用高速摄像技术,对离心泵内诱导轮与叶轮流道的空化流动进行可视化研究,并结合CFD数值计算对离心泵内部流场进行模拟分析。结果表明:在空化初生阶段(汽蚀余量为5.0 m),诱导轮叶片前缘出现叶顶泄漏涡空化;在空化发展阶段(汽蚀余量为1.07~5.0 m),流动极为复杂,在诱导轮流道内同时出现叶顶泄漏涡空化、片状空化和云状空化,并且在较低汽蚀余量(汽蚀余量为1.5 m)时,出现不对称空化现象。在空化初生和发展阶段,泵的扬程和效率基本保持不变;在空化恶化阶段(汽蚀余量小于1.07 m),诱导轮流道内基本被空泡堵塞,空泡进入叶轮流道,导致离心泵扬程和效率急剧下降。