离心泵叶轮轴面流道的研究

从理论上分析了轴面过水断面面积的变化规律,建立了计算过水断面面积的数学模型,探讨了盖板倾角与比转数的关系,提出了确定这一部分形状的方法     

离心泵叶轮内部流场的数值计算

为弥补基于传统一元理论方法中流场计算的不足,该文基于流体的连续方程和运动方程,用Fortran语言编程实现了离心泵叶轮内部流场的数值计算,S1流面上采用有限单元法、S2流面上采用流线曲率法,2类流面迭代计算直至收敛得到离心泵叶轮内部流场分布。对2类相对流面方法计算得到的叶轮内部流场进行了分析。结果表明,叶轮内部相对速度分布合理,叶片头部受冲击作用,压力面和吸力面流速相差较大。叶轮内部压力分布从进口到出口逐渐增大,梯度较小,叶轮做功平稳,进口处压力从后盖板到前盖板逐渐降低。同时考虑流体的连续方程和运动方程后,对比传统一元理论方法的计算结果,计算得到的轴面速度从后盖板到前盖板间各条流线的分布规律相差较大,在叶轮进口段差别最大,具有较强的三维特征,表明本文数值计算结果可更好地反映离心泵叶轮内部的三维真实流动规律。     

叶轮进口条件对串并联离心泵无过载特性的影响

为了阐明叶轮进口条件对串并联离心泵无过载性能的影响,该文从速度三角形理论出发,引入进口速度加权平均角度(θ),推导了单级模型泵无压直管叶轮进口条件的最大轴功率,以及相对应的流量的计算公式。在此基础上,研究了串并联离心泵分别应用无压半螺旋和有压半螺旋2种不同叶轮进口条件对无过载性能的影响。结合(computational fluid dynamics,CFD)技术,对各模型泵外特性曲线进行了数值模拟,并搭建试验台分别对单级模型泵和串并联离心泵进行试验。分析表明:计算结果与试验结果能够较好地吻合,在设计工况下,扬程误差和功率误差均在5%以内,从而验证了数值模拟结果的正确性。结果证明:不同叶轮进口条件下,得到的轴向速度分布均匀度变化不大,均匀度较好;而流动偏移角(γ)值有较大的差异,γ值越大越有利于无过载性能的实现。该研究结果为串并联离心泵的无过载研究和开发提供了一定的依据。     

偏置短叶片离心泵内三维流场数值模拟

改善离心泵的水力性能,提高效率是离心泵优化设计的重要研究内容。采用Fluent软件,基于Reynolds时均N-S方程和RNG k－e湍流模型,对IS65-40-250型偏置短叶片离心泵进行三维流场数值模拟,分析了流体在离心泵内的速度和压力分布,揭示其内部的流动规律。研究表明：采用短叶片偏置设计方法,有利于提高离心泵内流场速度和压力分布的均匀性,减小了叶轮出口处的压力脉动,降低了冲击损失;对改进后的离心泵扬程和水力效率进行计算,发现其扬程和水力效率较原型离心泵分别提高了3.46%和1.7%,达到增效节能的目的。     

螺旋离心泵叶轮结构参数的定义与确定

以两种不同的方法对螺旋离心泵叶轮的结构参数进行了定义，在此基础上提出这些结构参数的确定方法，并提供了有关试验结果。     

叶顶间隙大小对螺旋离心泵内部压力脉动的影响

叶顶间隙大小是影响半开式螺旋离心泵内外特性的重要因素之一,为充分探究叶顶间隙大小对其内外特性的影响程度及作用机理,该文以一台比转速237的单叶片螺旋离心泵为研究对象,通过设计叶顶间隙专用调节机构,分别调整叶顶间隙大小至0.3、0.5和0.8 mm,与叶轮外径的比值分别为0.13%、0.22%和0.35%。针对3种叶顶间隙大小情况,同时进行外特性试验和压力脉动试验研究。压力脉动的监测点包括叶轮进口边、叶轮中部、蜗壳第三断面和蜗壳隔舌附近。结果表明叶顶间隙大小与叶轮平均直径的比值应介于0.13%~0.22%之间。同时,结合压力脉动试验获得的实测压力波形图、压力系数波形图及频域图,分析了单叶片螺旋离心泵内部压力脉动的规律,为半开式螺旋离心泵的减振降噪提供参考和借鉴。     

叶片数对离心泵振动噪声性能的影响

叶片数是离心泵的主要几何参数之一。为研究叶片数对离心泵振动噪声性能的影响,以比转速为97的离心泵为例,对比了不同叶片数下的水力和振动噪声性能,并采用FEMBEM声振耦合计算方法对流动激励下的振动及其声辐射噪声进行了数值模拟,同时与试验数据进行对比分析。结果表明:提出的数值模拟方法可用于预测泵的流动诱导振动和声辐射性能,且在模拟中考虑口环泄漏的影响能够提高计算精度,有口环方案预测得到的振幅较无口环方案的预测精度提高了13.5%。随着叶片数的增加,扬程和轴功率均逐渐增大,最大增幅分别为15.9%和14.1%;效率随叶片数的增加呈先增大后减小再增大的趋势。离心泵蜗壳的压力脉动幅值随叶片数的减小而增大。由于叶轮蜗壳动静干涉的作用,蜗壳隔舌处、第1到第2断面间和扩压管壁面等3个区域的压力脉动幅值相对较高。随着叶片数的减少,蜗壳壁面的振动位移有所增大,最大位移主要发生蜗壳第8断面处。振动速度随着叶片数的增大后减小,与振动位移的规律有一定的差异,振动高速区主要集中在隔舌、蜗壳的第4与第6断面之间和靠近扩压管的第8断面处。设计工况下,泵在叶频对应的声压级和声强随着叶片数的增加先增大后减小,高声压级区域主要出现在泵出口附近的高振动速度引起的垂直方向。综合考虑水力和振动噪声性能,确定该模型泵的最佳叶片数为6。     

诱导轮时序位置对离心泵水力性能的影响

对带有诱导轮的离心泵而言,诱导轮相对叶轮的时序位置非常关键。为探讨时序位置对整台离心泵性能的影响,该文以某单级离心泵为研究对象,采用三维黏性非定常数值方法,对诱导轮相对叶轮的3种不同时序位置下离心泵的内部流动进行了模拟,并分析了其外特性、振动特性、空化特性随时序位置的变化。结果表明:随诱导轮时序位置的变化,离心泵的扬程和效率都是先增大后减小,扬程变化达1.3%,效率变化达1.32%;诱导轮叶片尾部压力面的漩涡逐渐消失。时序效应对叶轮与径向导叶间的动静干涉有影响,从而影响叶轮所受径向力的分布及叶轮内部和径向导叶头部的压力脉动特性;合理的时序位置可以改善离心泵的空化性能。     

泵作透平专用叶轮直径的确定及其对透平性能的影响

为了以理论方法建立前弯叶片泵作透平专用叶轮直径与设计流量的关系,揭示叶轮直径对透平性能的影响,该文以比转速为66的离心泵为原型,推导叶轮直径与设计流量的关系表达式。在不改变原型泵其他过流部件的前提下,基于ANSYS Bladegen软件设计3个进口安放角均为90°,直径分别为235、245和255 mm的前弯叶片透平专用叶轮。在试验验证基础上,分别完成3台透平全流场数值计算。结果表明:叶轮直径对透平外特性有显著影响,高效点随叶轮直径增加向大流量偏移。最高效率点均出现在计算临界流量稍偏右侧,与理论推导结论基本相符。叶轮直径从235 mm增大到245和255 mm时,透平最高效率分别提高了1.73%和3.32%。随叶轮直径增大,小流量区效率下降且降速快,大流量区效率提高且高效区宽。该研究丰富了液力透平设计方法,可为前弯叶片透平专用叶轮设计提供参考。     

不等间距叶片对离心泵性能及压力脉动影响分析

为研究叶片不等间距对离心泵性能及压力脉动影响,以一比转数为132.7的离心泵为研究对象,基于转子自动平衡理论建立了3种叶片不等间距叶轮模型,并对模型泵全流场进行了CFD数值计算,获得了模型泵外特性、叶轮内流分布及蜗壳内压力脉动信息。利用外特性试验验证了计算方法的准确性,并对叶片不等间距与原等间距叶轮模型计算结果进行了对比分析。分析表明：叶片不等间距布置会使泵扬程降低,效率升高,且最小角间距越小,扬程下降越明显,效率上升越明显,但最小角间距为45°、50°、55°时,3个工况下的扬程、效率计算值变化幅度均保持在5%以内,满足设计要求;叶片不等间距布置后叶轮工作面附近的低速区更明显,且主要存在于较宽流道,最小角间距越小,低速区范围越大;叶片不等间距模型在145 Hz及其谐频处产生新的压力脉动峰值,一定程度上改善了压力脉动频谱平稳性,其中最小角间距为45°、50°的2种模型在此处的脉动量整体比叶频处脉动量还大。该研究结果可为离心泵优化设计提供参考。     

双吸泵叶轮切削后效率下降机理及切削定律

工程中经常存在双吸离心泵实际扬程远高于输水系统所需扬程的情况,通常采用切削水泵叶轮以达到泵站节能的目的。为了研究叶轮切削对双吸离心泵水力性能的影响,该文采用RNG k-ε湍流模型对叶轮切削后的双吸离心泵外特性和内部流场进行了CFD分析,首次揭示了叶轮切削后的水力损失机理,包括损失的位置、大小和原因。研究发现,随切削量增加,性能曲线上最优效率点位置向小流量工况显著偏移,双吸离心泵的最优效率值逐渐下降。叶轮切削而增加的水力损失主要产生在叶轮内部,这是由于叶轮切削后,叶片对水流控制能力变弱致流道内漩涡增多,造成叶轮部分水力损失明显增加;而隔舌间隙增大并未使压水室内的水力损失明显增加。在叶轮切削量一定前提下,在大流量工况,数值预测的结果与相似换算理论值近似相等;当切削量超过4%时,在小流量工况,依相似定律换算得到的扬程和轴功率值低于CFD计算结果。     

叶轮弧盘及锥盘型线对高比转速离心通风机性能的影响

为改善离心通风机的气动性能,该文以一高比转速离心通风机为研究对象,结合试验和全通道数值模拟研究了锥盘及4种不同弧盘叶轮对离心通风机性能的影响,通过对非定常流场及压力脉动信号的分析得到了前盘型线对高比转速离心通风机性能的影响机理。研究结果表明,随着比转速的增大,叶轮前盘型线对离心通风机效率的影响程度增大,比转速为73和120时,弧盘叶轮较锥盘叶轮效率分别提高5%和14.5%。高比转速离心通风机锥盘叶轮在靠近前盘处的流动分离现象过早,并一直延伸至叶轮出口,在无叶扩压器区域沿轴向出现环流,严重阻碍流体流入蜗壳。将锥盘改为弧盘后,叶片负荷和出口气流角增大,流动分离损失降低,出口压力脉动幅值降低。对前盘弧线进一步优化后,弧盘叶轮边界层损失和压力脉动进一步减小,在设计工况(38 205.63 m~3/h)下效率较原弧盘叶轮提升了1%。该研究成果为高比转速离心通风机叶轮的设计以及内部流动特性的研究提供了参考。     

轴流泵叶轮导水锥型式对叶轮水力性能的影响

为探究轴流泵叶轮导水锥的设计方法,揭示导水锥流场的内部流动特性以及不同型式导水锥流场与叶轮流场之间的相互影响关系,并对导水锥头部圆整问题进行初步探索,该文基于三维不可压缩流体的雷诺平均N-S方程和k-ε湍流模型,采用6种型式的导水锥,利用Fluent软件对各型导水锥流场及其叶轮流场进行三维流场计算。结果表明:出口流场均匀性最好的维多辛斯基式导水锥的叶轮水力效率最高,而出口流场均匀性最差的直锥式导水锥叶轮水利效率最低。叶轮对水流的预旋作用对导水锥流道出口断面轴向速度分布均匀度影响较大,而对速度加权平均偏流角和水力损失的影响很小。同时,水流预旋对导水锥出口流场的轴向速度影响较大,切向速度影响较小。导水锥流场液流越近叶轮,其受叶轮旋转的影响越大。适当增加导水锥的长度可提高叶轮水力效率,但导水锥长度过长会导致水力损失增加,建议导水锥长度最佳取值范围为叶轮外径的0.5~0.7倍。导水锥头部的圆整,可有效消除因尖锐头部造成的逆压梯度,从而减少流场的不稳定性。随导水锥头部圆整长度的增加,导水锥的水力损失降低,叶轮水力效率升高。建议导水锥头部圆整位置距导水锥头部应为导水锥长度的1/8~1/7倍。研究可为高效轴流泵水力模型设计提供参考。     

转速对离心泵作透平性能影响的试验与分析

为揭示转速对泵作透平效率的影响规律,该文以一比转速为66,叶轮采用透平专用叶轮的离心泵反转作透平为对象,完成了900到2 100 r/min间隔300 r/min,共5个不同转速运行试验与数值模拟。结果表明:不同转速下,透平扬程与轴功率均随流量增大而增加,效率曲线先上升后下降。CFD计算值与运用比例定律理论计算值较吻合,但CFD不能完全客观反映变速对效率的影响。试验性能参数与运用比例定律理论计算值存在一定偏差,流量偏差最小,扬程偏差其次,轴功率偏差最大。额定转速运行时,试验最高效率为69.83%;降20%与40%转速运行时,效率较额定转速时分别下降了2.82%与6.34%。分析表明,降速对容积与机械效率呈负影响,而一定范围内升速对效率呈非线性正向影响。透平部分工况运行时,偏离额定工况越远,效率下降越明显,降速运行对提高效率效果越显著。在水力条件及强度均满足的前提下,透平尽量维持或略高于额定转速运行,有利于能源的高效利用。研究结果对透平高效经济运行具有参考价值。     

离心泵叶轮内的网格生成与计算流体力学分析

根据离心泵叶轮通道的几何和流场特点，探讨了离心泵叶轮通道结构化多块网格划分中的一些处理方法。同时应用标准k-ε紊流模型加壁面函数法对离心水泵叶轮内部的三维紊流流动进行了雷诺平均N-S方程的数值计算与分析。分析了离心泵叶轮叶型对流速分布、压力分布和泵性能的影响，研究了离心泵叶轮通道内流动规律，并以计算流体力学(CFD)分析结果为依据，对离心泵叶轮进行了叶型优化设计。结果表明进行离心泵叶轮内三维紊流数值计算可为离心泵叶轮叶型优化提供详细的数据，应用CFD分析技术可提高离心泵叶轮的设计水平。     

叶轮出口宽度对离心泵噪声辐射影响的分析与试验

为研究叶轮出口宽度对离心泵在水动力激励下泵壳振动辐射噪声的影响,该文以一台单级单吸离心泵为研究对象,保持泵体和叶轮其他几何参数不变,运用FEM\BEM（finite element method\boundary element method）声振耦合计算和试验测量方法进行了叶轮出口宽度分别为10、8和12 mm的噪声辐射分析。采用大涡模拟方法对离心泵内部瞬态流场进行计算,得到蜗壳壁面偶极子声源。在对泵壳体结构进行模态分析的基础上,利用LMS Virtual Lab的间接边界元IBEM声振耦合模块计算非定常流动引起的离心泵内部噪声,并进行了试验验证,在此基础上,对离心泵外场噪声及其声辐射进行计算,并研究了叶轮出口宽度对离心泵外场噪声辐射的影响。结果表明,离心泵叶片通过频率处的辐射声功率随着叶轮出口宽度的增大而增大;叶轮出口宽度存在一个合适的取值范围,使得各流量工况下外场噪声声压级较小;综合考虑离心泵能量性能与外场噪声,叶轮出口宽度为10 mm时,离心泵综合性能较优。研究结果可为低振动低噪声离心泵的水力优化设计提供参考。     

半开式离心泵变工况叶顶间隙的流动特性

为研究不同工况下,叶顶间隙对半开式叶轮离心泵内部流场及外特性的影响,该文对某半开式叶轮离心泵内部三维湍流流场进行数值模拟。揭示了离心泵内不同工况下叶轮流道和叶顶间隙层内的流动规律,对比分析了4种不同流量工况下叶顶间隙泄漏涡的流动特性、叶顶间隙层总压与相对速度分布,以及流量的变化对离心泵外特性的影响。结果表明:在小流量(设计流量为1.5 m3/h)时,间隙层内充满了泄漏涡,随着流量的增加涡核逐渐减少;大流量时涡核几乎消失,但此时流体速度激增,流动冲击损失变大在叶轮出口与间隙层附近存在着大面积回流,小流量时回流几乎占据了整个出口。通过模型泵外特性试验,验证了数值计算的准确性。该文为离心泵叶顶间隙设计及水力优化提供了参考。     

进口弯管及前置扰流子对离心泵性能影响

为提高离心泵运行性能,设计了3种弯管前置扰流子。利用计算流体动力学软件FLUENT中提供的多重参考系(MRF)模型,采用标准k-ε模型和SIMPLE算法求解不可压缩Navier-Stokes方程,对带有不同进口弯管及扰流子的离心泵在设计工况下进行全流场数值模拟。结果表明:离心泵外接弯管上90°弯头的转向半径R和入口直管段长度L对泵的运行效率均有影响,其中转向半径的影响更为明显,通过适当的增加R和L可有效地提高离心泵的运行效率,效率最高可达81.98%。而在弯管前端安装扰流子后,泵的入口流动状态可以得到很好的改善,进而提高离心泵的运行效率和抗汽蚀性能,其中以CJ-3406翼型扰流子性能最佳,效率最高可提高4%,而采用3307b翼型扰流子时有效汽蚀余量最高可提高近0.2 m。该文为实际生产中如何改进入口管路和提高离心泵的运行性能提供了新思路。