不同载荷分布型式下轴流泵叶顶间隙流特性研究

轴流泵叶顶泄漏流对水泵内外特性有重要影响,从控制叶片载荷角度建立了轮缘载荷分布型式与叶顶泄漏流的关系。基于三维反问题设计方法设计得到了具有前载、中载和后载3种典型轮缘载荷分布型式的轴流泵叶轮模型,采用三维湍流模拟技术研究了上述3种轮缘载荷分布型式对轴流泵叶顶泄漏流及其诱导的泄漏涡流动的影响。结果表明,相对于轮缘前载型叶轮和轮缘中载型叶轮,轮缘后载型叶轮可有效消除叶片进口附近低压区,有利于叶轮空化性能;小流量工况性能有所提高,有效抑制流量扬程曲线的驼峰现象;同时轮缘后载型叶轮具有更好的小流量工况压力脉动性能。     

基于载荷分布的潜水轴流泵叶轮与导叶水力设计

对潜水轴流泵进行三维反问题设计,以水力效率为设计目标,提出叶轮、导叶适合的载荷分布形式。通过正交试验设计、单因素分析和数值模拟的方法研究载荷参数对潜水轴流泵内外特性的影响,得到水力效率较优的载荷分布形式:叶轮叶片为前载型,导叶叶片为轮毂中载、轮缘前载型。具体的载荷参数取值范围:对于叶轮,斜率取值范围为-1~0,前载点取值范围为0.25~0.45,后载点取值范围为0.55~0.75;对于导叶,轮毂斜率在0附近取值,轮缘斜率取值范围为0~0.75,轮毂前载点取值范围为0.25~0.45,轮缘前载点在0.25附近取值,轮毂后载点取值范围为0.55~0.75。叶轮设计中发现:前载型叶片对原泵叶根尾缘的二次流有改善作用。导叶设计中发现:由于潜水轴流泵导叶的扩散式结构特点,导叶近壁面易出现分离涡,轮毂中载、轮缘前载型叶片能够有效地抑制导叶近壁面的涡分离。     

载荷分布规律对混流泵叶轮设计的影响

基于三元反设计理论,将环量vur沿轴面流线的变化梯度作为载荷分布的控制参数,采用两段抛物线来描述载荷沿轴面流线的分布规律．为了分析载荷分布规律对混流泵叶轮设计结果的影响,建立了“前载型”、“中载型”和“后载型”3种混流泵叶轮．基于雷诺时均的Navier-Stokes方程、SST湍流模型和多参考坐标系模型对3种叶轮内流场进行数值模拟,对叶轮的能量性能和叶片表面压力分布进行分析．结果表明:采用两段抛物线表示载荷沿轴面流线的分布规律是合理的,基于载荷分布的叶片三元反设计能有效控制叶片表面的压力分布特性;载荷峰值点越靠近导边,叶轮的扬程、功率和效率值越高;在设计流量工况,前载型叶轮与后载型叶轮的扬程、功率和效率的差别分别为1830％,1640％和201％;不同载荷分布时叶轮能量性能的差别随流量的增加而逐渐明显．     

轴流泵内部压力脉动数值预测及分析

基于RANS方程和RNG k-ε模型,采用Ansys-CFX软件对轴流泵泵段进行了多工况三维非定常数值模拟,得到了不同工况下轴流泵内部不同监测点的水流压力脉动值,分析了轴流泵内部不同监测点水流压力脉动的变化趋势,并预测了叶轮进口前由于叶轮转动引起的压力脉动影响范围.通过与实测扬程和效率比较,表明了数值模拟方法的可行性及可靠性.研究结果表明:轴流泵内部压力脉动频率主要受叶轮转动频率控制,较大压力脉动发生在叶轮进口前;叶轮进口处压力脉动从轮毂到轮缘逐渐增大,叶轮出口处压力脉动从轮毂到轮缘先减小后增大,导叶后压力脉动从轮毂到轮缘先增大后减小;小流量工况及大流量工况下压力脉动幅值较最优工况大;受叶轮转动影响,叶轮进口前压力脉动影响至叶轮中心前0.7D左右.     

卧式轴流泵空化特性的数值分析

轴流泵内部的空化现象是影响叶轮能量转换,导致轴流泵扬程、效率等性能下降的重要原因.为了研究轴流泵内部的空化现象,以轴流泵TZX-700为研究对象,该型号轴流泵相较于一般的轴流泵无后置导叶.为了验证数值计算结果的准确性,对该卧式轴流泵分别进行了试验研究和数值模拟,试验曲线和数值计算曲线基本吻合.在设计工况和小流量工况下进行全流道数值模拟,对其空化特性曲线、叶片吸力面和压力面的静压分布以及空化体积分数分布进行分析.结果表明:当进口压力为101.325 kPa时,在叶片的吸力面就已经发生空化;在叶片压力面,当有效空化余量NPSH_a下降到临界空化余量NPSH_cr=7.79 m时,靠近进口边的叶顶处开始产生少量的空泡;随着NPSH_a的下降,叶片表面的空化区域进一步增加,对叶轮内的流场产生明显的影响,导致扬程急剧下降;在同一轴流泵进口压力下,小流量工况下叶片表面的空化区域相较于设计流量工况进一步扩大,由靠近轮缘的进口边向出口边和叶根处发展,空化现象更为严重.     

柱形轮毂型式循环水泵的水力及结构特性

为了研究柱形轮毂型式循环水泵的水力及结构性能,采用CFD软件对循环水泵装置进行数值模拟和结构计算,将其与传统球形轮毂轴流泵的水力性能进行对比分析,并通过模型试验验证数据的可靠性.结果表明:轮毂型式的改变主要对叶轮的水力性能产生影响,对导叶和进出水流道的影响很小.在设计工况下,柱形循环水泵装置的扬程3.35 m,效率86.29%,最高效率86.69%;而球形轮毂轴流泵装置的扬程3.19 m,效率85.63%,最高效率85.74%.2种型式的泵装置扬程相差约0.16 m,效率相差约0.66%,性能差距较明显.柱形循环水泵的扬程在全工况下均大于球型轴流泵;循环水泵的效率曲线在设计流量和大流量下均显著高于轴流泵,在小流量下二者的效率曲线差别很小.循环水泵叶轮的最大应力出现在叶轮进口轮毂与叶轮连接区域,最大位移出现在叶片进口靠近轮缘的位置;随着流量的增大,叶片的最大应力和最大位移均逐渐减小.研究结果可以为轴流泵的叶轮设计和发展提供参考依据.     

轴流泵叶轮的三维多参数设计及试验

为解决南水北调某泵站改造工程中轴流泵的设计问题,利用BladeGen软件进行了轴流泵叶轮的三维多参数设计,建立了轴流泵全流道模型并进行结构化网格划分、数值模拟和试验验证,分析了不同叶轮参数对轴流泵外特性的影响,并对影响较大的参数即翼型中心线角度方程的3种方案进行了叶片压力和流速分布对比分析及空化性能分析.计算结果表明:通过对比,最终确定叶轮选取方案6,即轮毂比为0.40,叶片轮缘截面中心点处厚度为10 mm,叶片翼型B;该轴流泵在设计流量工况下,扬程为4.90 m,装置效率为79.76%,叶轮效率为92.19%,符合设计要求,且与试验结果基本一致;利用BladeGen软件可对轴流泵叶轮进行较为精确的三维化设计,可减小原始叶轮设计及优化过程中反复建模的工作量,提高了轴流泵叶轮优化的效率.     

不同叶顶间隙下斜流泵内部 流动特性的数值模拟

为研究轮缘叶顶间隙对斜流泵性能和流动不稳定特性的影响,基于SST k-ω湍流模型对某斜流泵选取了0, 0.25, 1.00, 2.00 mm 4种尺寸的叶顶间隙进行数值计算,分析间隙区域内压差分布、泄漏量、叶顶泄漏涡旋强度以及进口轴面速度分布.结果表明:不同运行工况下,斜流泵泄漏量从叶轮进口到叶轮出口先增大后减小,其与间隙区内压差变化趋势相吻合.叶顶泄漏量随着间隙尺寸的增大而增大,导致泵的能量损失增大.经对比发现,间隙尺寸是影响叶顶泄漏量的主要因素.小流量工况下,随着叶顶间隙尺寸的增大,叶顶泄漏流与主流卷吸作用形成的泄漏涡强度逐渐增强.部分泄漏流进入相邻叶片通道,导致其流动失稳.随着叶顶间隙的增大,斜流泵能量损失明显增多,且内流不稳定性明显加剧.增大流量后,不同间隙下叶顶泄漏涡旋转强度均逐渐降低.     

轴流泵运行工况和叶顶间隙对叶顶泄漏涡轨迹的影响

采用SST k-ω湍流模型模拟和旋涡强度方法,对某一轴流泵模型泵叶轮叶顶区流场和叶顶泄漏涡轨迹进行了数值计算,分析了运行工况和叶顶间隙两个因素对轴流泵叶顶泄漏涡运动轨迹的影响.数值模拟结果表明,随着流量增大,轴流泵叶顶泄漏涡的涡核轨迹起点由叶尖向叶片翼型中部逐渐移动.随着流量的增大,叶片流道内的流动方向发生偏移,叶顶泄漏涡在主流的卷吸下,运动轨迹随之变化,涡轨迹线的斜率受叶轮内主流的影响而变大.随着叶顶间隙增大,泄漏涡的卷吸程度逐渐增强,影响范围增大,涡核的起点由叶片前缘逐渐向后缘移动,且涡核的压力逐渐降低,因此在大间隙时涡带更易出现空化现象.当叶顶间隙达到1.5 mm时,轴流泵在0.9Qd工况附近出现驼峰现象,说明叶顶泄漏涡对驼峰区不稳定流场具有重要的影响.     

冲角对轴流泵叶轮水力性能的影响

【目的】研究冲角对轴流泵叶轮水力性能的影响。【方法】针对比转数为880的轴流泵叶轮,采用数值模拟方法和数值优化技术,基于儒可夫斯基翼型从3个角度进行冲角对轴流泵水力性能的影响研究。【结果】当设计参数保持不变时,冲角增大,扬程升高,比转数发生变化,最高效率增大,高效区往大流量偏移。为了使翼型处于更高质量区,建议轮缘侧翼型冲角在0～3°之间,且比转数大者取小值。当改变轮毂侧和中间断面翼型冲角时,设计工况下,为了得到较高扬程和较高效率的轴流泵叶轮,可以适当增加中间断面的翼型冲角,同时为了减小叶片扭曲改善非设计工况的水力性能,可以适当减小轮毂侧的翼型冲角。当比转数保持一致时,冲角增大,流量-扬程性能曲线的斜率减小,最高效率值保持相当,高效区范围往大流量偏移且高效区范围变宽。【结论】冲角对轴流泵叶轮水力性能有着重要影响,实际工程应用中,为保证轴流泵叶轮具有较好的水力性能应同时兼顾轮毂和轮缘侧的翼型冲角。     

液环泵叶片轴向叶顶凹槽间隙流场及其性能

为改善液环泵轴向叶顶间隙泄漏流场结构,提升液环泵水力性能,提出液环泵叶片轴向叶顶凹槽结构设计,以2BEA-203型液环泵为研究对象,采用数值模拟方法分析液环泵叶轮轴向间隙泄漏流动及其与主流的相互干扰作用,对比分析凹槽叶顶与平顶间隙泄漏流动及其性能.分析结果表明,液环泵内流动呈现复杂的三维结构,凹槽型叶顶间隙能够在一定范围内提升液环泵的效率及真空度,在大流量点0.07 kg/s时的吸入真空度相对平顶型叶片提升5.26%,其他各流量点真空度及效率也略有提升;凹槽型间隙除在凹槽内产生凹槽涡及凹槽角涡外,在叶片压力面叶顶处角涡及叶片吸力面后方的泄漏涡结构与叶片平顶型间隙基本相似.轴向叶顶压力面附近角涡及吸力面后方的泄漏涡强度由轮缘到轮毂逐渐增强,凹槽型轴向叶顶能够在一定程度上减弱角涡及泄漏涡量的分布;在气相分布区域,叶顶间隙泄漏涡强度明显高于液相分布区域.由于凹槽的缓冲作用,使得间隙内及叶片吸力面后方的泄漏流速、湍流强度及总压损失均有一定程度的减小,达到提升泵的吸入真空度和效率的目的.     

叶轮出口环量非线性分布条件下混流泵性能研究

为研究反问题设计中叶轮出口翼展方向环量非线性分布对混流泵外特性及内流场的影响,拓展混流泵优化设计空间,在试验验证数值模拟准确性的基础上,通过在叶轮出口翼展方向插入5个控制点控制环量分布的方法构建了17种不同环量分布形式;在其他设计参数不变的基础上使用反问题设计方法对其进行三维造型并使用商业软件CFX进行数值模拟,对其外特性及内部流场进行对比分析。结果表明：环量分布形式对设计工况与小流量工况叶轮效率影响较小,对大流量工况叶轮效率影响较大;在全工况范围内,环量分布形式对叶轮空化性能影响均较大;环量分布形式可显著改变叶轮内部流场,影响叶片不同叶高处的做功能力。     

轴流泵叶轮端壁区流动特性数值模拟

轴流泵端壁区流动对流场结构、能量传输、水力效率等有着重要的影响。基于CFD技术和高质量结构化网格,对不同叶顶间隙的轴流泵方案进行了全流场数值模拟,探讨了叶顶间隙对端壁区轴面速度、环量等流动参数的影响规律,分析了叶顶泄漏涡的产生机理及其结构,并与高速摄影试验进行了对比。研究结果表明,端壁区叶顶间隙导致进口轴面速度非均匀分布和轮缘侧二次回流;叶轮出口的端壁间隙区轴面流动减弱,且叶顶间隙越大,轴面速度下降幅度越大;叶顶间隙附近的二次回流区使叶轮进口产生环量,当叶顶间隙增大至2 mm时,约50%的流动区域受到间隙的影响而产生预旋;端壁区叶顶泄漏涡的数值模拟运动轨迹及结构与试验一致,在小流量工况下,泄漏涡强度增强,且干扰流场范围扩大。     

基于PANS模型的轴流泵叶顶空化特性

以某一等比例缩放模型为研究对象,采用一种局部时均化模型(PANS)和Zwart空化模型,对额定工况某一特定汽蚀余量下的轴流泵叶顶空化流进行了数值模拟,并与高速摄影试验进行了对比.探讨了叶顶区不同的空化类型和泄漏涡系,找到了叶顶泄漏涡最易发生空化的位置,分析了不同叶片弦长系数截面空化流场.研究结果表明,模拟得到的空化性能曲线与试验值吻合较好,最大误差为5.8%;利用旋涡强度方法,得出了叶顶泄漏涡涡心在弦长系数为0.30~0.35时,有最大旋涡强度系数和最小压力系数,表明此处是最易于发生空化的位置;叶顶空化的形成及发展通常伴随着涡结构的演变,泄漏涡在向相邻叶片的压力面运动时,由于与壁面的相互作用,会诱导反向旋转的旋涡,而在叶片出口处,也会形成脱离涡和诱导涡,脱离涡会向相邻叶片的压力面运动,造成相邻叶片压力面的载荷变化.     

轮缘间隙对轴流泵内部非定常流场的影响

为研究轴流泵轮缘间隙泄漏流的非定常特征及其对泵外特性的影响,采用基于S-A模型的DES方法和滑移网格技术,对轴流泵在设计流量下的内部湍流进行了数值计算,重点分析了4组轮缘间隙下泵内非定常流场特性及压力脉动特性.在设计轮缘间隙下,计算所得泵扬程和效率与试验数据吻合良好,最大相对误差分别为2.0%和3.0%.计算结果表明:随轮缘间隙增大,水泵扬程和效率均呈下降趋势;轮缘泄漏涡强度和影响范围随轮缘间隙增大而增大,当轮缘间隙为3.3‰D₂时,轮缘泄漏涡扩散至相邻叶片出口边;不同轮缘间隙下,叶轮区压力脉动频率均以叶频为主;靠近叶片进口的叶轮室内壁压力脉动幅值随轮缘间隙的增大呈减小趋势,叶轮室中部压力脉动随轮缘间隙增大而增大;叶轮出口断面的压力脉动频域特性在不同轮缘间隙下均以1倍叶频为主,脉动幅值随轮缘间隙增大而减小.     

不同叶片后掠角度下轴流泵叶顶区空化流场与性能研究

为研究轴流泵叶片后掠对叶顶区空化流场及性能的影响,以南水北调工程TJ04-ZL-02编号叶轮缩放模型为原型叶轮,将叶片重心积迭线圆周后掠得到后掠20°和后掠40°叶轮。基于ANSYS CFX 软件对全流场进行数值模拟,对比分析原型叶轮与后掠叶轮流道内压力、空泡、流线分布的变化,并对不同空化条件下叶片后掠对叶顶区漩涡强度、涡量和速度场的影响进行分析。研究表明：后掠叶轮临界空化余量降低,后掠叶片吸力面空化面积及空泡体积分数均低于原型叶片。在空化工况下,叶片后掠减小吸力面侧低压区域,有效抑制叶顶区三角形空化云的发展。由于叶片后掠减小叶顶区压差,导致叶顶泄漏量减小,TLV核心区漩涡强度和涡量随后掠角度的增大而减小,随着空化程度加剧,TLV漩涡强度和涡量均变大,叶顶区流场更加复杂紊乱。