核电站离心式上充泵多工况水力设计

离心式上充泵为多级双壳体结构,根据核电站系统要求,其水力性能需同时满足5个工况点.为实现上充泵多工况水力设计,在系统总结离心泵非设计工况研究进展的基础上,提出了多种叶轮水力设计方案优化组合与叶轮多工况水力设计相结合的技术,并进行了上充泵多工况水力设计实践.利用多级离心泵叶轮组合原则对上充泵所要求的多工况点进行拆分,得到不同叶轮性能曲线优化组合设计方案,分别进行首级叶轮、2-4级叶轮和5-12级叶轮水力设计.按照设计方案制造4级泵样机（转速2 950 r/min）,并进行性能试验.试验结果换算到4 500 r/min与规定值对比表明,有4个工况点满足要求,大于规定值2.6%;仅最大流量工况扬程偏低,低于规定值11.8%,实现了多工况水力设计目的.     

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。     

余热排出泵叶轮内空化流动特性的数值分析

为研究余热排出泵叶轮内空化流动特性,基于Rayleigh-Plesset方程的混合物均相流空化模型和剪切应力运输SST k-ω湍流模型,对余热排出泵水力样机叶轮内空化流动进行数值计算.根据计算结果获得了余热排出泵水力样机空化性能、设计流量工况不同装置空化余量条件下叶轮内空泡分布规律及其叶片表面载荷分布.研究结果表明:设计流量工况下,叶轮内空泡随着装置空化余量的降低逐渐呈不对称性分布,当装置空化余量低至2.63 m时,个别流道发生了堵塞.叶轮不同切面上的空泡分布不一样,切面越靠近后盖板,叶片吸力面上空化区面积越大,扬程发生突降之前,泵叶轮内空化表现为准静态空穴的特征.由于主流方向在叶轮进口处发生了急剧变化,使得叶片压力面靠近叶片进口边处上叶片载荷出现了先突然增大然后又迅速降低的变化规律.     

基于CFD的旋喷泵水力设计及性能比较

采用相同的窄流道直叶片,按照单闭式、单半开式、双半开式设计了3种不同叶轮结构的旋喷泵水力模型;采用CFD方法利用ANSYS-CFX软件对3种水力模型的内部流场进行三维数值模拟,分别得到3种模型的压力场、速度场。通过对设计方案扬程、轴功率、效率的性能预测,分析了3种旋喷泵水力模型的性能特征,以利于设计方案的优选。     

导叶叶片数对井用潜水泵性能的影响

选取一典型井用混流式潜水泵作为研究对象,借助数值模拟和试验测量的方法研究导叶叶片数对井用潜水泵性能的影响。在导叶叶片型线不变的情况下,通过调整叶片数6、7、8共3个方案进行数值模拟。以单级泵模型建立计算域,划分高密度结构化网格,通过网格无关性分析确定了合适的网格划分方案。基于SST k-ω湍流模型和标准壁面函数进行多工况数值模拟,对不同叶片数方案的泵性能预测结果进行了对比。证实在小流量工况下,叶片数的增加提高了导叶叶片流道内整流效果,泵的扬程随叶片数的增加而提高。然而在大流量工况下,过多的叶片会占据更多的流道面积,并产生较大的水力损失。7叶片方案的进口面积与叶轮出口面积匹配较好,水力损失较小。将7叶片方案进行了加工制造和样机性能试验,试验结果表明模型泵性能优秀,高效区宽且具有无过载特性。数值模拟预测的扬程和功率均略高于试验结果,预测的泵效率与试验值基本一致,两者随流量变化的整体趋势基本一致,证实本文数值模拟具有一定的精度。     

地下滴灌抗负压堵塞的试验研究

通过室内试验,研究地下滴灌滴头负压堵塞与滴头出水口形式、滴头流量间的关系,发现滴头出水口形式对滴头抗堵塞性能影响显著。在窄缝、舌片、圆孔3种出水口形式中,窄缝式抗负压堵塞性能最好,但相同出水口形式时,小流量(小流道)滴头对抗负压堵塞有一定的优势。     

叶轮流道结构对双流道泵性能的影响

从叶轮流道结构变化的角度研究双流道泵的内部流场及其流动特性．采用标准k-ε湍流模型和全隐式多网格耦合算法,对双流道泵叶轮的3种流道结构,即上圆弧式（方案a）、直线式（方案b）、下圆弧式（方案c）进行全流道三维不可压缩湍流流场的数值模拟,并比较其在相同工况下的水力性能,探寻最优的双流道泵叶轮流道结构．结果表明：不同叶轮流道结构的双流道泵,在设计工况下的内部压力和速度场分布呈现出规律性和差异性;方案a和方案c的有效流道体积均增大,方案a无阻塞性能最好;方案a的水力效率最低,但在流道出口处具有更加明显的压力降;方案c具有最高的水力效率,扬程最低;综合分析,方案b具有最高扬程14.46 m和较高水力效率78.24%,较另外2种方案,方案b的综合性能指标最优,认定其为最优双流道泵叶轮流道结构.     

基于流动控制技术的低比转速离心泵叶轮研发

低比转速离心泵由于叶轮直径大,出口宽度小,流道扩散严重等原因,导致其效率偏低且很难改善.在计算流体动力学数值模拟和模型泵性能试验基础上,分析了低比转速离心泵效率与内部流动特性之间的关系,为改善泵内流动结构和提高效率提供依据.基于以控制边界层分离为目的的流动控制技术,提出了两种新型的离心泵叶片结构,研制了新的叶轮.为便于比较分析,对新叶轮在保证原模型泵叶轮直径、出口宽度和安装尺寸等主要几何参数不变的前提下进行加工制造,并分别将常规设计的叶片、分流叶片和两种新型叶片的叶轮在同一泵体内进行试验.试验结果表明：分流叶片提高了泵在大流量区域的效率但不能拓宽流量范围,引流叶片使水泵在更大流量范围内运行,并且在整个流量范围内都显著地提高了泵效率.流动控制技术成功地改善了低比转速离心泵内部流动结构并提高了泵性能.     

双流道泵内部流动非定常数值的研究

在不同工况下,采用滑移网格技术对双流道泵进行了非定常流动数值计算,着重分析了叶轮内不同点的压力波动情况。计算表明,双流道泵内流的非定常特性明显,蜗壳喉部尤为剧烈;从叶轮的进口到出口,压力逐渐增加;不同工况条件下叶轮的压力变化明显,其中小流量条件压力波动最大;叶轮流道内部不同点的压力随时间呈周期性变化规律。该计算为进一步研究双流道泵的水力设计、性能预测、优化设计提供了一定的理论依据。     

叶片角度对输水泵站泵装置水力性能影响分析

为研究输水泵站泵装置水力性能受叶片角度变化的影响,采用CFD方法模拟全流道泵装置水力性能,分析设计流量工况下叶片角度变化对进水流道、出水流道流动及叶轮内部流动特性和水力性能的影响.结果表明:在设计流量工况下,叶片角度偏离设计工况角度,叶轮进口近轮毂区存在回流、脱流;叶片角度偏离设计工况角度越大,进水流道、出水流道内水流流态越差,水力损失越大.当叶片角度调节为-8°工况时,与叶片角度-0°工况比较,进水流道和出水流道水力损失相对值最大,分别为1.28和2.89.即叶片同等偏离角度下,出水流道水力损失增大幅度较进水流道更加明显.对比数值模拟结果与模型试验结果得出,在设计流量工况,叶片角度为0°时,扬程相对误差为1.2%,效率相对误差为2.1%,两者吻合较好.     

混流泵叶轮流动性能数值模拟和叶型优化设计

在设计工况下,对一个较高比转速的混流泵叶轮内部流动进行三维湍流数值模拟计算.通过分析混流泵叶轮内部的流动特点,发现由于局部结构设计不合理,流道内产生了较大范围漩涡区和壁面脱离现象,增加了流动损失.针对这一问题提出了改进措施,采用一种多参数的优化方法对叶轮叶型进行设计,并分析了叶片型线对叶轮内部流场的作用规律.结果表明,控制叶型弯曲度可以有效控制叶片进口处的马蹄涡,消除近壁面流动分离和漩涡,减小流动中的通道涡强度和影响范围,改进后叶轮流道内存在的涡团和流动脱离现象基本消失,叶轮水力效率相对提高4.74%,单位功耗的扬程增加11.5%.叶轮性能参数的计算数据与试验数据吻合较好,验证了所采用的计算方法及模型的准确性和可靠性.     

离心泵复合叶轮短叶片偏置设计研究

对离心泵叶轮进行偏置短叶片设计既能够避免叶轮进口过度排挤，又能够解决叶轮出口流道扩散严重的问题，因而是改善低比转速离心泵性能的有效方法。为了研究短叶片水力设计方法，首次提出了以叶轮流道内不出现回流区域为目标建立的叶片数计算公式，进而确定了叶片型线的设计方法以及短叶片的偏置设计准则，为短叶片偏置设计提供了精确的数学基础。最后，对一台比转速为47的复合叶轮离心泵，在不同短叶片偏置设计参数下进行了试验，试验验证表明，文章中提出的计算公式可以指导设计。     

离心泵作透平多工况内流与能量转换特性

为揭示不同流量下离心泵作透平的能量转换特性,基于1台比转数为90的单级悬臂式离心泵,在透平工况下对其进行数值模拟,并结合试验验证了数值模拟的准确性.结果表明:叶轮是透平内水力损失的主要部件,叶轮内水力损失占比随流量的增大呈现出先减小后增大的变化趋势.设计工况(Q=80m³/h)下,蜗壳、叶轮、腔体的水力损失占比分别为33.0%,35.1%,22.3%.通过对内流场中的流线分布和叶片进口速度三角形进行分析,揭示了不同工况下透平内流特性与水力损失之间的关系.设计工况下叶轮内流动均匀,无明显旋涡存在,在小流量工况下叶轮进口端面存在回流现象,旋涡出现在大流量工况叶片的吸力面.最后,采用拟涡能系数从能量的角度分析了不同工况内部流动的损失情况,进一步揭示了透平的能量转换机理.研究结果可为离心泵作透平的高效设计及实际现场运行调控提供参考.     

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。     

AP1000核主泵模型泵导叶水力设计与数值优化

采用基础水力设计方法,利用模型泵叶轮外参数设计AP1000核主泵直导叶;基于CFD的数值计算与分析结果,针对所设计的直导叶内部流场流动损失较大的问题,提出2种不同的优化设计方案:第1种直接在直导叶的基础上进行优化设计;第2种采用叶轮与导叶配合设计的方法,将直导叶转化为扭曲空间导叶,并对其进行优化.在空间导叶的优化中也考虑了2种方案,对叶型进行参数化造型,然后生成样本数据库,选择叶轮加导叶结构的水力效率作为优化的目标函数,利用人工神经网络和遗传算法对不同空间导叶叶型进行多次优化改进,最终获得与叶轮水力性能匹配优良的核主泵导叶.最后讨论了不同导叶叶片数对水力效率的影响,从流动的角度对导叶叶片数的选取提供了理论指导和参考.     

渐开线型圆柱形叶片

低比转速叶轮内过高的逆压梯度引起叶片表面脱流是这类叶轮水力效率较低的重要原因,为提高低比转速泵的效率,本文作者以力学方法导出了渐开线的两项重要几何特性,这些特性决定了以这种曲线形成的圆柱形叶片将减少叶片脱流可能,改低比转速叶轮善水力性能。     

圆盘通孔叶轮的能量转换特性

为研究圆盘通孔叶轮的流动及能量转换特性,以能量转换及定量的数学分析为依据,通过对圆盘通孔叶轮内介质的运动规律及受力分析,证明了此类叶轮对水流做功不同于叶片泵的做功机理,即叶轮以产生哥氏加速度的作用力对水做功,且叶轮做功量与水流机械能增量存在等值关系.同时,以理论方式揭示了该类泵的一些不同于离心泵的外特性:叶轮产生的理论扬程不随流量变化而变化;在相同的转速与叶轮直径条件下,圆盘通孔泵将产生更高的扬程.有关圆盘通孔泵的理论结果有助于深化叶轮流动的研究方法,为分析圆盘通孔叶轮内的流动及叶轮做功特性提供一定的理论依据.     

叶轮外径对混流泵作透平性能的影响

为了研究混流泵作透平工况下,叶轮外径对性能的影响,以混流泵为模型,通过试验验证了CFD方法的有效性.基于BladeGen设计了160,170,180 mm这3种叶轮外径的混流泵水力模型, 并通过数值分析研究了3种叶轮外径下,混流泵作透平工况下的外特性,水力损失分布及内部流场分布.结果表明:随着叶轮外径的不断增大,混流泵作透平的高效点逐渐向大流量区域移动,高效点的扬程、轴功率及效率都随之增加;大流量区域内,扬程迅速降低,轴功率下降变缓,效率有所上升;总水力损失与叶轮部分的水力损失显著减少;蜗壳部分的水力损失变化不明显;叶轮入口处的旋涡区域逐渐减小,蜗壳出口与叶轮入口之间存在的间隙流体逐渐减小,从而引起该部分水力损失逐渐减小;压力分布更加均匀.