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.     

离心泵叶轮不同磨损程度下的振动信号分析

为了研究离心泵不同程度磨损后叶片进口边的振动特性,在虚拟仪器平台搭建试验泵系统,选用IS-50-160-00单级单吸离心泵分析不同磨损程度下振动信号的时域和频域特征.以6个叶片离心泵为研究对象,分别破坏对称2,4,6个进口叶片进行试验,采集泵在不同磨损程度下径向、纵向、轴向和基座方向的振动信号,并进行时域和频谱分析.在时域上采用峭度分析方法,发现磨损后每个叶轮的峭度变化是一致的,通过检测基座方向和轴向的振动信号峭度,可诊断离心泵的磨损程度.利用峰值因子分析得出磨损后叶轮产生更高的尖峰,尤其是轴向峰值因子较大.在频域分析中采用最大熵谱估计方法,得出磨损后离心泵在高频信号中出现振动能量的变化,将高频段(2 500~5 000 Hz)的振动变化作为诊断磨损程度的特征频段,同时发现振动信号功率谱在基座方向和轴向的能量变化较大.     

苜蓿草粉制粒机环模失效行为研究

对苜蓿草粉制粒机环模在压辊作用下产生的弯曲应力和接触应力进行了分析计算,对失效的环模进行分析,观察和测量,并用扫描电镜对其表面形貌进行观察研究.结果表明:环模失效主要原因是疲劳失效和磨损失效,而弯曲应力和接触应力不是影响环模寿命的主要因素:磨损失效与疲劳失效存在一定关系,随着磨损的加剧,环模的模孔内壁壁厚发生变化,降低了环模的抗疲劳能力;环模表面在疲劳剥落和显微切削两种磨损机制作用下产生表面的材料流失,导致环模的磨损失效.     

离心泵并联特性试验分析

离心泵并联运行是增大管道流量的重要手段,广泛应用于日常生活中。为了确定离心泵实际并联运行的工作特性,搭建了一套离心泵并联试验装置。在大量试验的基础上,详细分析得到了实际运行性能曲线,并通过两种节流调节方式进行了水泵并联运行经济性分析,旨在为离心泵并联应用提供参考。     

叶片包角对离心泵水力性能及磨损特性的影响

基于CFD-DEM耦合方法计算离心泵内固液两相的流动及过流部件的磨损,研究不同叶片包角时叶轮的平均磨损率、液相的速度分布、颗粒的运动、颗粒与壁面的接触次数和接触力.研究表明：随着包角的增大,扬程、效率和平均磨损率均先增大后减小;当包角为110°时,颗粒与壁面的接触力和接触次数最大,导致磨损最为严重,磨损严重区域在吸力面中间与前盖板的交界处;包角从90°增大到110°时,颗粒与过流部件壁面之间的接触次数逐渐增多,接触力逐渐增大,增大了离心泵磨损程度;包角从110°增大到160°时,聚集在吸力面中间位置的低速颗粒逐渐减少,导致颗粒与过流部件壁面之间的接触次数逐渐减少,接触力逐渐减小,从而减小了磨损严重的区域,减轻了离心泵磨损程度.     

基于数值模拟的单叶片离心泵能量损失分析

为揭示单叶片离心泵效率偏低的主要原因,采用数值模拟的方法对单叶片泵的能量损失进行了详细分析,建立了单叶片离心泵水力损失模型.基于SIMPLEC算法和标准k-ε湍流模型,利用ANSYS CFX软件求解三维N-S方程,分析单叶片离心泵在不同流量工况下的湍流耗散损失和壁面摩擦损失,并搭建单叶片离心泵的外性能试验台,验证了数值模拟的准确性.结果表明:单叶片离心泵的能量损失形式主要为耗散损失和摩擦损失,并且泵内的耗散损失明显大于叶片摩擦损失;效率偏低的主要原因是耗散损失较大,具体表现为单叶片离心泵叶轮流道内存在明显的低速区及流动分离区,且压力呈圆周非对称分布;单叶片离心泵从其叶片进口处到出口处的耗散损失、摩擦损失均不断增大;耗散功率、摩擦功率占总功率百分比及叶轮水力效率呈抛物线分布.     

离心泵变工况流场分析及径向力数值预测

针对离心泵内部流场进行了数值计算,计算采用雷诺时均方程和RNGk-ε湍流模型,压力和速度耦合采用SIMPLEC算法.在分析变工况离心泵流场的基础上,提出了离心泵径向力数值预测的数学模型,并计算了不同工况下径向力的大小和方向.结果表明,离心泵在设计点运行时径向力最小.通过对比径向力数值预测值和Stepanoff公式预测值的差异可以看出,其差值随流量增大从负到正,相对误差不超过7%,表明离心泵径向力数值预测方法是可行的.     

叶片厚度对低比转数离心泵性能的影响

为了研究叶片厚度对低比转数离心泵性能的影响,选取一比转数为48的离心泵为研究对象.在离心泵其他几何参数给定的条件下,通过改变圆柱形叶片厚度,构造了5种不同叶片厚度的叶轮.基于标准k-ε湍流模型,采用SIMPLE算法,在6种不同工况下分别对其进行全流场数值模拟,对比分析了叶片厚度对泵的外特性及内部流场的影响,得出了叶片厚度对泵水力性能的影响规律.结果表明:叶片厚度在一定范围内,随着叶片厚度的增大,泵的最优工况点向小流量偏移,最高效率略有提高;同时随着叶片厚度的增加,泵在设计工况下运行时的湍动能损失不断增大;在满足叶片结构强度的前提下,选取合理的叶片厚度,可确保离心泵具有较好的水力性能.     

基于泵阀联合调节的并联离心泵组高可靠性优化

针对离心泵常见的“大泵小用”问题,在常规多泵PID变频供水系统的基础上,通过优化投入运行的离心泵的数量和适当关小控制阀的方法提出了1种可以在一定程度上改善离心泵偏工况问题的方法.搭建了1套3台离心泵并联泵组试验台,并进行了测试.试验结果表明,文中提出的方法能够以增加一定的能耗为代价,在一定程度上改善离心泵的偏工况运行情况,提高离心泵的可靠性.当偏工况情况过于严重时,采用控制阀调节工况点的方法将会大大增加管路阻力,牺牲大量的能源,使得此方法欠缺经济性.当取消控制阀的作用仅保留泵数优化时,文中方法能够同时实现节能和一定程度上改善偏工况程度,但整体偏工况程度依然较严重.实际工程中可结合具体应用中对能耗与可靠性的权重倾向进行合理选择.     

无传感器监测技术在离心泵中的应用研究综述

为深入研究无传感器技术在离心泵运行状态监测方面的应用,首先综述了无传感器技术的背景与研究现状:无传感器监测技术是一种将感应电动机作为转矩传感器,通过测量其定子电流、电压,分析电动机转矩信号并推算出运行状态从而实现运行状态监测的技术,具有安装使用方便,价格低廉等优点.由于大部分离心泵由感应电动机驱动,因此可以较为有效地解决传统状态监测技术中存在的问题.目前国内外对离心泵监测技术的研究主要集中在电动机及机械部件的诊断,离心泵运行工况的判别,电动机输出信号的提取、分析方法等方面,并且这些研究主要侧重于理论和仿真.其次提出了现阶段无传感器技术应用于离心泵状态监测方面研究的不足:关于离心泵内部流态的研究仍属空白,具体流动状态的识别研究较少,离心泵内不同流动状态特征的提取方法的研究较少.最后对离心泵无传感器监测技术的发展进行了展望:无传感器技术的突破在于着重解决水力负载转矩非定常特性、瞬态水力负载转矩在离心泵轴系传动及电动机系统中响应特性以及离心泵内不同流动状态特征的提取方法等问题.     

离心泵水力诱导激振试验研究

离心泵的水力诱导激振影响泵的安全稳定运行。为了揭示离心泵水力诱导激振特性,以一台单叶片离心泵为试验对象,采用两个垂直布置的涡电流位移传感器测量离心泵空转及抽水时叶轮口环的瞬态位移,获得了叶轮口环瞬态位移的时域图、频域图以及口环位移轨迹图。基于霍尔感应器的键相信息,采用华科水力机械综合测试仪获得了离心泵在不同流量工况的水力诱导激振特性。试验结果表明,离心泵空转及抽水时时域图、频域图相似,波形均为周期性重复的畸变正弦曲线,主频均为叶轮转频,口环位移轨迹图均为畸变的椭圆形,但抽水时口环位移幅值有所减小。离心泵的水力诱导口环位移轨迹图在不同流量工况下均为畸变的椭圆形,在210°~300°之间出现一个突变区域,水力诱导激振在小流量工况显著增强,在额定工况及大流量工况水力诱导激振基本不变。     

无堵塞泵水力设计及试验研究

叶片式无堵塞泵主要有离心式与旋流式两种泵型。利用泵能量方程和相似律推导出无堵塞泵叶轮水力设计统一计算公式,在分析、归纳14种离心式渣浆泵和12种旋流泵优秀水力模型的基础上,分别应用最小二乘法数值拟合出经验系数方程式。通过设计实例和样机型式试验与真浆试验,验证了设计方法的准确性和实用性,并揭示了离心式渣浆泵和旋流泵性能上的一些特点。     

含沙水流对泵叶轮磨损原因及改进措施

黄河流域有许多提灌泵站，黄河含沙水对水泵叶轮的汽蚀与磨损破坏是急需解决的突出问题。经过多年对泵破坏情况的观察，理论分析了含沙水流对离心泵叶轮的磨损原因和主要影响因素，受用了改进叶轮设计参数和低碳钢板成型叶片组焊叶轮等一些防腐减磨措施，经实际运行可成倍延长叶轮使用寿命，提高泵平均运行效率。具有广泛的推广使用价值，经济效益显著。     

基于Fluent的无过载离心泵改型设计

针对无过载离心泵在性能方面的不足,提出了采用加大流量法和堵塞流道法相结合的无过载离心泵设计方法.并根据这一设计理念,在利用商业软件Fluent对离心泵进行性能预测的基础上,对IS5032160型无过载离心泵进行了3次改型尝试.预测结果表明:采用这一设计方法,可以有效地增加无过载离心泵的扬程、提高效率,改善无过载离心泵的性能.可为低比数离心泵的优化设计提供参考.     

侧流道泵研究现状及发展趋势

侧流道泵或侧通道泵(side channel pump)是一种介于容积式泵和离心泵之间的径向式叶片泵,由叶轮一侧有一个横截面为半圆形的侧流道而得名,通常具有超低比转数特性和自吸能力,其体积小,流量低,但是扬程却很高.与普通离心泵相比,侧流道泵作为一种新型泵,更适用于极端条件下气液两相流体和接近临界状态流体的输送.首先介绍了侧流道泵的组成和工作原理,简要阐述了流体在侧流道泵内的运动轨迹.同时,按照时间顺序分析了侧流道泵的研究情况,重点分析了近年来国内外关于侧流道泵的研究现状.最后根据前面所述的研究成果,展望了侧流道泵研究的发展趋势.认为优化设计可提高侧流道泵的性能,完善侧流道泵理论模型,利用先进的内部流动测试手段,例如PIV,LDA等,分析测量侧流道泵内部流动规律和旋涡演变机理,设计开发多功能侧流道泵是今后侧流道泵的研究重点.     

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     

叶片数对离心泵内流诱导振动噪声的影响

基于虚拟仪器数据采集系统和泵产品测试系统在离心泵闭式试验台上建立了泵空化诱导振动噪声试验测试系统,实现了泵能量性能参数和流动诱导振动噪声信号的同步采集．以一台比转数为93的5叶片单级单吸离心泵作为研究对象,在保证泵体和叶轮其他几何参数不变的情况下,将叶轮叶片数分别设计为4,6和7片．测量了不同叶片数下模型泵在全流量范围内的能量性能、振动强度和噪声信号,并对振动和噪声信号数据进行了处理．试验结果表明：模型泵内部流动诱导的振动对泵体的影响最大,5叶片时模型泵的振动强度最高;随着流量的增大各测点振动强度大致都呈现先基本不变后显著上升的趋势;泵的噪声信号主要集中在0—2000Hz的范围内;在小于设计流量时,随着叶片数的增大,轴频的峰值逐步增大．研究结果对于建立低振动低噪声离心泵水力设计方法具有重要的参考意义和指导作用．     

压水室结构对离心泵径向力影响的数值分析

采用SST k-ω湍流模型对不同压水室结构: 单蜗壳、双蜗壳、导叶和蜗壳匹配同一叶轮的离心泵进行定常和非定常数值模拟．根据数值计算结果比较并分析3种不同结构压水室离心泵外特性、定常和非定常径向力特性．结果表明,在全流量下,单蜗壳和双蜗壳离心泵流量-扬程曲线变化平缓,效率高效区较宽;单蜗壳离心泵径向力远大于其他2种形式离心泵;导叶式离心泵径向力方向随着流量增加基本不变,其他2种形式离心泵径向力方向随着流量的增加变化较大且从隔舌向蜗壳出口移动;单蜗壳离心泵和双蜗壳离心泵径向力整体变化趋势呈椭圆分布,导叶式离心泵径向力变化无规律性;单蜗壳离心泵径向力平衡较差,瞬态径向力幅度波动远大于其他2种形式离心泵．分析结果可对离心泵径向力的认识和设计提供依据．