竖井贯流泵能量特性试验研究

结合江苏某竖井贯流式泵站，对两种不同转轮在相同进、出水流道情况下进行了能量特性试验研究．试验研究表明，竖井贯流式水泵在超低扬程(1—2m)的调水工程中具有很好的水力性能，其模型泵装置的最高效率达69％左右，该项试验研究为今后竖井贯流泵的进一步开发研究获得了良好的开端．     

轴流泵系统技术创新与发展分析

论述了我国轴流泵系统水力性能研究和技术创新,探讨了轴流泵系统研究发展趋势。阐述了高比转数轴流泵水力模型和应用发展的过程;通过归纳轴流泵系统特点提出按电动机安装位置进行分类,即轴伸式轴流泵系统和贯流式轴流泵系统两类结构形式。分别阐述了不同类型轴流泵系统在泵站工程中的创新应用。从技术发展的角度研判轴流泵系统的发展趋势及应用前景。讨论了传统水泵选型方法的局限性,分析了适用轴流泵系统的水泵选型新方法的合理性。分析基于试验数据的轴流泵变角调节公式及适用性;分析了进水旋涡危害和安全策略,总结了进水池旋涡研究的成果和消防涡措施。针对该领域研究发展中的现实和潜在问题,提出进一步深化研究创新的思路。     

轴流泵出口能量分布特性与测定

试验发现，用常规方法测定的轴流泵出口能量偏小。为揭示其原因，用五孔探针测定轴流泵出口流场，结果表明，出流具有较大的周向流速，断面轴向流速分布很不均匀，各点单位势能不等，出水管内为螺旋流动，属急变流，简要分析了它的形成机理，并给出了用常规方法测定轴流泵出口能量的修正方法。     

刘老涧抽水站轴流泵模型装置的试验研究

通过对刘老涧抽水站立式轴流泵模型装置的试验研究，得出了模型及原型装置的综合特性曲线，该成果可作为刘老涧抽水站设计的重要依据，并对同类型工程具有参考价值。     

不同转速下轴流泵压力脉动试验

针对某一轴流泵模型,分别在转速1 450、1 200、1 000 r/min下,通过试验手段对其关键测点进行了压力脉动测量。通过幅值分析得到,随着流量的增大,RMS值曲线在叶轮进口处呈先降低后升高的趋势,在叶轮出口和导叶出口处呈逐渐降低趋势,转速越高RMS值变化速率越快。从频域来看,叶轮进口在3个转速下主频都为叶频,并在1 450 r/min、1 200 r/min转速下还存在Fn、2Fn、3Fn等比较明显的频率成分;叶轮出口压力脉动的频率范围主要分布在0~8Fn之间,在1 450 r/min、1 200 r/min转速下,其主频出现在(3~4)Fn之间,在1 000 r/min转速下,其主频往大频率方向有所偏移,主要集中在(4~6)Fn之间;导叶出口压力脉动的频率范围主要分布在0~12Fn之间,在1 450 r/min、1 200 r/min两个转速下,其主频出现在(4~6)Fn之间,在1 000 r/min转速下,其主频主要出现在(6~8)Fn之间。     

叶片数对高比转数轴流泵空化特性的影响

基于shear stress transport（SST）k-ω湍流模型和Zwart空化模型,针对某一高比转数轴流泵模型,对叶片数分别为3、4和5的3组叶轮方案,分别进行了空化流场模拟和实验,计算了不同叶片数下的流量-扬程曲线、流量-效率曲线和空化性能曲线,得到了3组叶轮的临界空化余量NPSHc分别为6.19m、5.122m和4.765m。与叶片数为3的叶轮方案对比,另外2组叶片数方案的NPSH值分别降低了17.25%和23.02%。在空化充分发展的工况范围,发现叶片数多的叶轮的扬程对NPSH降低较敏感;针对轴流泵叶片背面的固定空化和叶顶间隙的旋涡空化,用空泡分布来表征空化的程度,分析了其在不同空化余量下空泡分布的变化规律。通过对比得到,相同NPSH下,叶片数Z=5的叶轮,叶片背面空泡分布体积较少,即空化的程度较低;但其空化严重区的空泡体积增幅较大,即空化发展的速度较快;叶顶区域的叶顶涡诱导的低压区随叶片数减少,范围逐渐向上游扩大,轮缘的空泡体积也随之增大,叶顶泄漏空化更加严重。即叶片数对不同类型空化情况,以及相同类型的不同程度的空化情况影响不同。     

串列式轴流泵首次级叶轮能量特性及相互作用

为了分析串列式轴流泵的能量特性以及首次级叶轮之间的相互作用及其对能量特性的影响,采用数值计算的方法,对一串列泵内不同流量工况下的内部流场进行计算．湍流模型采用了一种RANS／LES的混合模式的FBM模型,基于试验结果对数值方法进行了验证,结果显示该数值方法能够较为精确地预测轴流泵的能量特性,FBM湍流模型预测结果精度高于标准k-ε模型．串列泵具有和普通轴流泵不同的能量特性:扬程随流量增大单调减小,功率随着流量增大而缓慢增大,说明串列泵具有良好的调节特性;首级叶轮的能量特性随流量变化而改变,具有和普通轴流泵几乎相同的能量特性,次级叶轮的存在明显改善了首级叶轮在小流量工况下的特性;次级叶轮的能量特性和普通轴流泵相比,具有较大差别,这是由于首级叶轮的存在改善了次级叶轮的进口流动,使次级叶轮在较大流量范围内具有恒定的能量特性．     

轴流泵装置反转水动力特性研究

为了探究轴流泵装置反转运行条件下的水动力特性,采用试验测量结合数值模拟的方法,对某配有常规单向叶轮的轴流泵装置的反转运行特性进行了研究,分析了轴流泵装置包括反水泵工况、反向发电工况的能量特性和内流特性。结果表明,应用单向叶轮的轴流泵装置进行反转抽水的扬程和效率均较低,高效点的扬程仅为常规泵工况高效点扬程的0.38倍,高效点的效率仅为常规泵工况的0.55倍。反水泵工况下的压力脉动信号成分较为复杂,泵装置出水流道的流态较差,不同流量工况下的叶片非工作面均存在较大范围的回流区。反向发电工况下,最高效率点向大流量偏移,出现在Qd=1.63流量工况,高效区的范围明显增大,达到了泵工况的1.53倍,在大流量工况下仍能维持较高水平的水力效率。反向发电工况下水泵叶片非工作面的极限流线较为平顺,叶片工作面的压力梯度分布较为均匀。研究成果为特殊利用条件下的轴流泵装置的安全稳定运行提供了参考。     

翼型最大拱度位置对轴流泵水力性能影响的模拟与试验

为了研究翼型拱度对轴流泵水力性能的影响,采用数值模拟和模型试验的方法在参数化翼型的基础上,保持升力系数大体一致,改变翼型最大拱度的位置及高度设计得出对应轴流泵叶轮,分析翼型拱度对轴流泵水力特性的影响。在二维翼型最大拱度位置为0.3L~0.65L时采用翼型优化方法,保证翼型的升力系数基本一致,得到了不同最大翼型拱度位置下的翼型设计方案;针对0.4L、0.5L和0.6L共3种最大翼型拱度位置下的翼型设计方案,采用二维叶栅理论进行轴流泵叶轮设计。其余设计参数均保持不变,得到3副不同的轴流泵叶轮,将配套导叶、弯管、叶轮组合成泵段进行数值模拟计算。最后通过泵段模型试验验证了数值计算结果的可靠性。研究结果表明：为保证轴流泵具有较好的能量性能和汽蚀性能,最大翼型拱度最好选择在0.4L~0.6L的位置。当最大翼型拱度位置为0.5L时,水泵具有较宽的高效区运行范围,流量扬程曲线较为平顺。在小流量区域,最大翼型拱度位置靠近翼型前缘或尾缘时,效率均会下降;在大流量区域,最大翼型拱度位置越靠近翼型尾缘效率越高。随着最大拱度位置向翼型尾缘的偏移,水泵的汽蚀性能有一定的提高。在泵站工程应用时,可通过改变最大翼型拱度位置来满足泵站实际运行的能量性能和汽蚀性能要求。     

轴流泵导叶进口段调节对其外特性的影响

针对轴流泵在偏离设计工况时,因水流方向的偏离导致其效率急剧下降,在常规导叶的基础上改变导叶进口段的位置,以期能提高轴流泵在非设计工况下的效率,扩大其在高效区的运行范围。将导叶分为进口段、中段和出口段3个部分,并采用数值计算结合模型试验的方法研究了不同导叶进口段位置对轴流泵外特性的影响。结果表明:导叶进口角度的改变影响到导叶体内的流态及其水力损失,从而影响到泵装置的能量性能;在轴流泵导叶原设计进口角度的基础上,沿顺时针方向旋转适当角度,可扩大低扬程泵装置高效运行的范围,显著提高偏离设计工况点的低扬程、大流量区的效率。     

轴流泵反向发电能量性能模型试验研究

通过泗阳二站水泵的反向发电能量性能模型试验,详细分析了水泵在不同水头和不同转速下的发电性能。研究发现：泗阳二站水泵在发电水头高于４．８ｍ时,电机不变极运行比电机变极运行时输出的电功率反而要高。     

轴流泵的性能分析及其运行调节

轴流泵是常用的一种泵型，由于具有低扬程、大流量的特点，在低洼区和平原地区的排涝灌溉中得到广泛的应用，为了合理选择和使用轴流泵，必须了解轴流泵的有关性能，正确分析轴流泵的性能曲线，以便使轴流泵经常在高效区域内工作，并且使轴流泵在充水、起动、运行和停止动作中都能正常进行。文章对此作了较为详细的分析。     

轴流泵水力模型压力脉动和振动特性试验

采用高频压力传感器对某一轴流泵模型叶轮进口、叶轮出口和导叶出口3个压力测量点,分别在3个转速1 450、1 200、1 000 r/min的额定流量工况条件下,进行了系列压力脉动测量试验。试验研究结果表明,不同转速下的压力脉动峰峰值不符合泵相似定律准则;不同转速条件下,叶轮进口处的压力脉动主频均为叶频,但叶轮出口的压力脉动主频随着转速的变化而发生漂移;泵内最大压力脉动峰峰值在泵内的位置也随之改变。通过分析转速变化对不同压力测点处的主频和泵不同位置的振动特性影响,发现试验泵不同位置处的振动以流体诱导的低频信号和转子系统质量不均匀诱导的轴频及其倍频为主要特征信号。从振动与压力脉动的频域来看,在0~2倍轴频范围内变化趋势基本相同,且速度变化对二者有相似的影响。在不同转速条件下,压力脉动的频率以1~4倍轴频为主要频域信号范围,但在不同位置处,振动频域范围仍主要以1倍和2倍的轴频信号为主。     

轴流泵叶片多学科设计优化

在对水力性能和结构分别进行学科分析的基础上,通过2个学科的耦合关系,建立了轴流泵叶片多学科设计优化的数学模型。采用协同优化算法,实现了同时满足叶轮效率最高和叶片质量最轻的优化目标。优化结果表明,多学科设计优化提高了轴流泵叶片的综合性能,可有效兼顾高效、轻量化的要求。水泵叶片多学科设计优化模型的协同优化算法高效、可行。     

基于CFD的轴流泵针对性设计与试验

凌城抽水站各运行工况下的扬程范围变化比较大,在对该泵站轴流泵选型分析时发现,南水北调同台测试中的水力模型能够满足其运行的基本要求,但均有其不合理性:高效区扬程满足设计扬程时,最高扬程缺少安全余量;最高扬程满足时,高效区扬程偏离设计扬程,效率偏低。基于CFD计算对凌城站水力模型进行针对性设计,通过改变叶栅稠密度和翼型安放角,采用多工况优化设计的方法,使得最终设计方案能够满足凌城站的运行要求。然后对水力模型的最终设计方案进行泵段数值模拟研究,数值模拟结果表明该针对性设计的水力模型效率较高,同时兼顾到凌城站最高扬程的要求。最后对针对性设计的水力模型进行泵段试验,试验结果表明基于CFD的轴流泵水力模型的针对性设计是准确的、可靠的,针对凌城站设计的水力模型确实能够更好地满足该泵站的特殊水位要求。同时也说明,对于大型泵站的更新改造,水泵水力模型的针对性设计研究是必要的。     

轴流泵叶轮内空化流动的数值计算

首先通过轴流式模型泵外特性试验,确定了汽蚀性能曲线。基于完整空化模型和混合流体两相流模型,对轴流式模型泵设计工况下叶轮内空化流动进行全流道数值计算。选择空化开始发生、临界汽蚀点以及空化严重时3个工况比较分析叶轮内空化流动的发展情况。计算获得了不同汽蚀余量时叶片背面静压、空泡体积组分分布和不同轴截面上的空泡体积组分分布。计算结果表明空化最初发生在叶片背面进口靠近轮缘的局部低压区;在临界汽蚀点处,空化发生的区域位于叶片背面进口至出口弦长的2/3处,面积约占叶片背面面积的50%,随着空化程度的进一步加剧,空化区域逐渐向后发展且空泡体积组分逐渐变大,当叶轮流道内发生局部空化时,不会影响到泵的能量性能;空化严重时,靠近进口截面的过流面积受到严重堵塞,泵的能量性能严重下降。计算结果与外特性试验相吻合,较好地揭示了轴流泵叶轮内的空化流动的静态特征。     

高比转数轴流泵水力模型设计

与传统升力法和圆弧法设计不同,以流线法设计高比转数轴流泵水力模型,提出了叶轮出口线性修正的环量分布规律,冲角以轮毂到轮缘增加的新方式进行选择,取值范围为0°～3°,比转数越大,冲角取值越小。应用CFD技术,数值模拟了泵段水力模型全流道流动情况,优化了水力设计参数选择规律,大大减少了水力模型制作和模型试验的次数,研制出了系列轴流泵水力模型,在天津进行的水利部南水北调工程水泵模型同台测试中,该系列模型具有较高的效率和较宽的高效区特性。     

叶轮进口挡板改善轴流泵非稳定工况性能研究

轴流泵在不稳定区(马鞍区)运行时,叶轮进口存在回流区,水泵效率低、机组振动加剧,严重时将造成机组结构破坏.在轴流泵叶轮进口设置5种挡板方案,采用商用软件ANSYS CFX,分别对不同的挡板方案进行了三维不可压湍流数值模拟.计算结果表明,挡板与叶轮进口的距离是影响小流量工况水泵性能的主要因素,其中方案3为最佳方案.叶轮进口的轴面流场表明,挡板能抑制小流量工况水泵进口处的回流,降低叶片吸力面的压力,增加叶片的升力,从而有效地提高小流量工况的水泵运行效率.