灯泡式贯流泵内湍流流动数值模拟和性能预测

为深入了解贯流泵的内部流动及其水力性能,基于标准k-ε湍流模型,利用Fluent软件对贯流泵内流场进行了数值模拟,并计算了贯流泵外特性曲线.结果表明:偏离最优工况时,导叶体和出水流道内出现二次流,造成较大的水力损失,装置效率降低;大流量工况时,水流在叶片进口边产生负冲角,叶片工作面进口附近出现最小压力值;小流量工况时,水流在叶片进口边产生正冲角,背面进口边附近存在最小压力值;最优工况时,整个泵的内部流动平顺均匀,叶片工作面和背面进口边的压力值均较大,而在背面进口偏后区域出现低压区.通过进一步计算得到了新设计贯流泵的扬程、功率和效率的性能曲线,将该模型计算结果与原有JGM-3模型试验数据对比可知,该模型的设计较为合理,其数值结果可为优化低扬程灯泡式贯流泵的设计提供重要的参考.     

大型灯泡式贯流泵CFD计算

大型灯泡式贯流泵在国内的研究与运用远远滞后于水轮机,导致国内低扬程泵站的选型一直突破不了传统的结构模式。为了研究解决国内低扬程泵结构选型问题,结合南水北调东线工程的蔺家坝泵站大型灯泡贯流泵,对适用低扬程工况的大型灯泡式贯流泵结构形式、流道水力损失、压力分布、流速分布进行了流体数值计算,并与模型试验作了比较。结果表明,流体数值计算的结果与试验数据非常接近,这为今后国内低扬程泵站设计选型提供了参考。     

灯泡贯流泵装置的三维流动数值模拟

为了配合南水北调东线工程淮阴三站灯泡贯流泵装置的优化水力设计研究工作,对该站前、后置灯泡贯流泵装置内部流动的数值计算方法进行了初步研究;参照该站初步设计阶段初步拟定的机组结构形式,建立了前置灯泡和后置灯泡贯流泵装置几何型体数学模型;分别对两种装置内部的流动进行三维湍流数值模拟,得到了前置灯泡和后置灯泡贯流泵装置的内、外水力特性;讨论了两种灯泡贯流泵装置进、出水流态的主要特征.计算结果表明：采用数值计算的方法研究灯泡贯流泵装置内部的三维流动及贯流泵装置的水力性能是可行的;淮阴三站前置灯泡和后置灯泡贯流泵装置初步设计方案的能量性能尚不能满足南水北调工程的要求,需通过进一步的优化计算,争取实现可能的最高装置效率.     

灯泡贯流泵装置内部流动数值模拟

基于三维雷诺平均Navier-Stokes方程、RNGk-ε紊流模型和SIMPLE算法,对一灯泡贯流泵装置模型的内部三维流场进行了全流道数值模拟.对同一转速下流量为20~35 L/s范围内的7个工况点的扬程、轴功率和效率等性能参数进行了预测,分析了泵装置内部速度场的分布.计算结果表明：在最优工况点,泵装置内部水流流态较好,压力分布也比较均匀;而在小流量和大流量工况下,包括灯泡体在内的出水流道内流态紊乱,出现偏流、脱流和旋涡等不良流态.为了验证计算的准确性和可靠性,对该装置模型进行了性能试验,并将数值模拟计算结果与模型试验的数据进行了对比,两者在高效区附近吻合较好,但在小流量和大流量工况下存在偏差.     

后置灯泡贯流装置灯泡体形式的数值模拟

为了深入研究灯泡体形式对装置流动特性及水力性能的影响,采用RNG k-ε紊流模型和SIMPLEC算法,基于多旋转坐标系模型,计算了总长均为10．72D（D为叶轮直径）的传统筒形灯泡体和纺锥细长形灯泡体两种典型形式的后置贯流泵定常流动,获得了整体流场结果．分析了不同灯泡体对泵装置整体流动的影响,灯泡体段设计不当将引起局部脱流和漩涡区,从而影响整体水力性能．分析了两种灯泡体贯流泵装置方案的叶片表面静压分布,显示出两个方案在最优工况、大流量工况和小流量工况下的叶片压力分布相似,这表明出水灯泡体形式不影响叶片工作状态．计算表明,纺锥细长形灯泡体水力损失最小值出现在约1．12QBEP（QBEP为设计点流量）处,而圆筒形灯泡体水力损失最小值出现在约1．06QBEP处,且出水灯泡体的水力损失与流量的关系不满足传统管道内水力损失与流量成二次方比例关系的规律,而表现为与泵装置运行工况相关的特性．因此,纺锥细长形灯泡体结构泵装置形式在南水北调东线工程中有一定的应用前景．     

变频调速灯泡贯流泵性能与控制方式

变频调速作为灯泡贯流泵的一种工况调节方式已经运用于南水北调东线工程的多座泵站.为了研究变速工况下的灯泡贯流泵水力性能和控制模式,指导泵站优化运行和推广应用,针对淮阴三站和泗洪泵站这2种典型型式的机组,分析和研究了其变频变速性能及不同转速的模型试验结果,并根据有、无旁路的电气主接线2种方式,研究在考虑变频装置和电动机在不同转速下效率发生变化时不同扬程段的运行控制方式.结果表明:变频调速的灯泡贯流泵性能受到水泵叶轮性能和流道性能两方面的制约,在一定变速范围内可以采用效率不变的相似定律进行预测;在确定灯泡贯流泵机组运行性能时必须考虑变频装置的损耗,同时应分析随着频率改变引起的变频装置及电动机效率变化;以泗洪站为例,综合考虑机电设备损耗后发现,在(40%～80%)供水设计扬程范围内可以切除变频装置,直接工频运行效率更高.     

蔺家坝灯泡贯流泵机组水力性能及结构分析

蔺家坝泵站作为我国首座采用齿轮箱传动的大型灯泡贯流泵机组的泵站,为使水泵装置具有较优的水力性能,采用CFD仿真技术对该灯泡贯流泵机组的流道进行了优化设计和计算,并与水泵装置模型试验结果进行了比较;重点分析了灯泡体的支撑结构、叶片调角机构、主轴密封装置、轴承布置、齿轮箱及同步电动机等主要设备的结构设计.结果表明：CFD仿真技术应用于灯泡贯流泵机组的水力性能优化是可行的,蔺家坝泵站采用大型灯泡贯流泵机组,在设计净扬程2.4 m工况下,水泵装置效率达到78%,且气蚀性能良好,技术参数均达到了南水北调东线工程的要求;大型齿联传动灯泡贯流泵机组的成功运行,为国内其他大流量低扬程泵站的机组选型、设计及制造提供了可借鉴的经验.     

灯泡体支撑件对贯流泵水力性能的影响

灯泡体支撑件(包括进人孔和底部支承)是贯流泵装置内部重要的过流部件,本文采用CFD方法对贯流泵装霞内部流场进行数值模拟,对不同支撑件形状进行了比较分析和优化,并与试验结果比较.结果表明,进人孔和底部支承的形状对泵装置的水力损失和水流流态的影响都比较明显,合理的支撑件形状可以改善流态、减少水流环量,提高泵装置效率.     

大型可逆式贯流泵的汽蚀检测及原因探析

通过对江苏省淮安三站可逆式贯流泵现场测试，分析了大型可逆式贯流泵的汽蚀原因．研究表明，水泵叶片表面汽蚀主要是分布在叶片出口边和进口边工作表面上，每个叶片汽蚀程度不同，但叶片出口边（相对水泵工况）汽蚀均比进口边严重；转轮室的汽蚀比较轻微，水泵叶片汽蚀程度为Ⅲ～Ⅳ级范围．产生的原因是设计时主要考虑保证水泵运行较优，难以保证水轮机在较高水头下运行，即较优工况下运行，因此在水轮机工况下，其汽蚀难以避免．     

灯泡贯流泵机组支撑形式比较

为了优化贯流泵机组支撑结构,提高其综合性能,将贯流泵机组支撑划分为主轴系轴承座支撑、灯泡体支撑和泵体支撑3个层次．研究了3种典型贯流泵机组的支撑形式;通过受力分析,计算了主轴变形和疲劳强度安全系数;从泵机组可靠性、安装维修性、总体结构和泵装置水力性能等方面,比较了几种支撑形式．从主轴轴承数量、布置及安装、灯泡体支撑和泵体支撑等方面,提出了灯泡贯流泵机组支撑的设计原则和方法．结果表明：灯泡贯流泵机组支撑形式不但影响可靠稳定性能和安装维修性能,还严重影响系统水力性能．电机转子和水泵叶轮挠度分别为0．19～0．39mm和0．22～0．62mm,滑动轴承和滚动轴承油膜厚度分别为0．41～0．53mm和0．12～0．17mm：为了保证运行时电机空气间隙和水泵叶片间隙均匀,导轴承座安装高程应考虑转子和叶轮的挠度以及导轴承的油膜厚度．合理布置导轴承,灯泡体采用辐射板支撑,进人孔与灯泡体底部主支撑合用,采用金属管泵段式结构,可以提高灯泡贯流泵机组的可靠性能和水力性能．结果对灯泡贯流泵机组的优化设计具有参考价值．     

后置灯泡式贯流泵装置水力模型

为了能够满足在南水北调东线一期工程中低扬程大流量工况的要求,针对南水北调金湖等泵站研制开发的贯流泵装置水力模型,利用FLUENT软件进行了CFD流场计算分析,并进行了反复试验和优化设计.经过江苏大学初试和河海大学复试,结果基本相符.模型在2.82 m扬程下,流量为342 L/s,效率达到79.05%,汽蚀比转速为1 105;装置模型流量大,效率高,综合性能指标达到南水北调工程经国际招标的同类装置模型的先进水平;在3 m扬程下和相同性能的立式轴流泵相比,效率约提高5%,流量提高10%以上,综合性能优势明显.     

南水北调东线一期工程灯泡贯流泵结构特点

对南水北调东线一期工程中不同结构型式的灯泡贯流泵,按照工况调节方式和传动方式及总体结构的组合,归纳为变频调节整体紧凑结构型(I型)、变频调节现场可拆装结构型(II型)、齿轮箱传动机械全调节现场可拆装结构型(III型)和液压全调节现场可拆装结构型(IV型)等4种结构型式.根据机械和液压式叶片全调节以及变频变速调节等工况调节方式,以及直接传动和通过减速齿轮箱的间接传动的不同传动方式,对4种不同结构型式的主要特点进行了定性和定量分析.研究结果表明:不同结构的灯泡贯流泵均安全、可靠,其中IV型结构机组在最大水推力及反向推力等不利工况下,最大变形值约为0.2 mm,不同部位的变形差小于0.1 mm,但在结构特性方面有明显差异.IV型机组的重量达225 t,约为I型结构的3倍;与叶片调节相比,采用变频变速调节时,不仅能够简化机组的结构,而且水泵可以采用柱形轮毂,提高效率1.6%以上.     

基于流固耦合的灯泡贯流泵叶轮强度分析

采用RNG k-ε湍流模型及SIMPLEC算法,对灯泡贯流泵装置内部三维流场进行全流道湍流数值模拟.采用顺序耦合方法,应用ANSYS Workbench软件,对叶轮进行结构静应力数值分析,并通过试验进行对比验证.结果表明：通过数值模拟与原型泵试验得到两者外特性曲线的变化趋势大致相同;工作面静压整体上较背面高,叶片背面进水边靠近轮缘位置出现局部低压,易发生空化;叶轮强度主要受离心力和流体压力的影响,且两者共同作用下的最大等效应力和最大总位移远小于两者单独作用的值;叶轮最大等效应力随流量的增大而增大,最大总位移随流量增大呈先减小后增大的趋势,最大等效应力出现在叶片出水边与轮毂交接处,叶轮变形的总位移随叶轮半径的增大而增大,最大变形量出现在叶片出水边靠近轮缘位置;强度校核结果表明,叶轮强度符合要求.计算结果可为灯泡贯流泵的应力特性分析提供参考.     

大型竖井式贯流泵装置的数值模拟与性能预测

基于三维不可压流体的雷诺时均方程和Spalart-Allmaras方程湍流模型,采用SIMPLEC算法,对大型竖井贯流式泵站的全流道进行数值模拟,分析流道的流态和叶轮的静压分布规律,揭示竖井式贯流泵流道流体的流动机理;对泵装置的流量和效率进行预测,并与模型试验结果比较分析.结果表明：出水流道内的流动为轴向流动与环向旋转的螺旋形合运动;叶片的静压分布呈现较为明显的规律,升力面的静压整体上较吸力面要高,且叶片吸力面的静压等值线分布较升力面密.性能预测结果和模型试验结果吻合较好.     

不同流量工况灯泡贯流泵压力脉动混沌特性

灯泡贯流泵机组振动来源十分复杂,为了分析机组振动规律,从流场压力脉动出发,分析其混沌特性,从而指出贯流泵站机组振动特征源自流场压力脉动特性的影响.为了研究不同工况下灯泡贯流泵压力脉动混沌特性,在贯流泵机组叶轮导叶、灯泡体壁面和流道内部设置压力脉动监测点,通过相空间重构、最大Lyapunov指数、相轨迹图、分形标度、关联维数分析各工况下各个监测点压力脉动信号混沌特性.结果表明：泵机组内部特定位置压力脉动信号最大Lyapunov指数大于0,信号具有混沌特性;3种流量工况下,叶轮进口处监测点压力脉动信号关联维数为2.00～2.50,叶轮出口处为1.80～2.00,导叶出口处为1.20～1.50,流道内普遍大于2.00,不同流量下关联维数亦有差异,可以通过关联维数判断泵机组是否有偏工况运行以及是否存在异常水力脉动的情况,研究结论可为泵站防治异常水力振动提供参考.     

大型泵闸进出水池流态数值模拟

泵闸枢纽工程是解决城市排水问题的有效途径之一。结合上海朱泖河泵闸工程,针对因结构布置上要满足该泵闸运行条件而产生的较复杂的水流问题,采用三维有限元计算手段模拟了泵闸运行时进出水池的水流状况,与模型试验结果进行对比,数值模拟结论与模型试验结果相符,并提出改善措施解决了因导流隔墙绕流现象导致的进水池水流不均问题。     

双吸泵的空化性能研究

通过试验和数值计算研究了一台450CSL型船用双吸泵的空化性能。为得到更为精确的模拟结果,在进行数值计算之前,分别对湍流模型和空化模型进行了改进,并通过二次开发技术把改进后的模型添加到CFX中。把非空化与空化状态下的模拟结果与试验结果进行了详细的对比,对比结果表明数值计算能够较好地预测双吸泵的能量特性及空化特性。此外,为较为全面地研究双吸泵内的空化流场,不仅分析了叶轮内空泡体积分数分布和吸水室内空泡分布,还对泵体沿吸水室隔舌中间断面静压分布和叶轮流道内总压分布进行了仔细的研究。研究结果明确了泵性能下降的主要原因是空化的发展,且数值计算能够较为真实地反映双吸泵的空化性能,从而为泵的优化设计提供参考。     

灯泡贯流泵装置内部流动及水力特性

为了深入研究灯泡贯流泵装置内部流动与水力特性之间的联系,采用数值计算、性能试验与PIV流场测试方法,获得了灯泡贯流泵装置在大流量、小流量和最优工况下的流动和水力特性.采用RNG紊流模型和SIMPLEC算法,基于多旋转坐标系模型,计算了灯泡贯流泵内部定常流动.分析了泵装置内部流动,指出小流量工况下泵叶轮的进口有较大范围的旋涡区,出水灯泡体内流态较为紊乱;而在最优工况及大流量工况下,泵装置内未见明显回流区.研究表明,灯泡贯流泵进水流道水力损失符合传统管道内局部水力损失规律,而出水流道的水力损失表现为与泵装置运行工况相关的规律,最优工况点附近损失最小,小流量和大流量工况点水力损失均较大.计算结果与二维PIV流动测试结果均表明在小流量下进口近泵壳侧有明显的回流区,而在叶轮出口靠近轮毂处有大面积的脱流.因此,灯泡贯流泵装置优化水力设计应当重视小流量工况下叶轮和导叶处的流动特性.     

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．     

邳州站竖井式贯流泵装置模型试验研究

根据南水北调东线一期工程邳州站建设的需要,在该站进出水流道优化水力设计研究的基础上,对前置竖井式贯流泵装置进行了泵装置模型试验研究。结果表明,经过优化水力设计的前置竖井式贯流泵装置试验方案SJGL—2010-01和SJGL—2010-02的主要工况点泵装置效率分别超过了82%和83%,泵装置临界空化余量NPSHc均优于5m;前置竖井式贯流泵装置不仅具有投资较少、结构较简单、安装维护方便等优点,而且水力性能优异,在低扬程泵站具有十分广阔的应用前景。