对几种圆柱形叶片的分析与研究

系统地给出了几种低比转速叶轮圆柱形叶片的绘制过程,以数学分析方法导出了它们的包角和叶片安放角随包角的规律,这些成果对认识圆柱形叶片的特性和改善低比转速叶轮的性能有重要意义。     

低比转速叶轮叶片数的选择准则

离心叶轮叶片数的正确选择是提高叶轮水力性能的重要措施.通过考查国外最新速度系数法设计资料和分析影响叶轮流道脱流和园盘摩擦损失的多种因素,提出了与传统观点相反的结论：增加低比转速离心叶轮叶片,并不是改善叶轮水力性能的有效途径,在合理选定叶片包角、叶轮出口宽度及优化叶轮直径的条件下,适当降低低比转速叶轮叶片数,对提高叶轮水力效率、消除离心泵的特征曲线的驼峰都有重要意义.这一新观点为设计人员正确确定低比转速叶轮叶片数提供了重要参考.     

低比转速污水泵叶片包角对水力性能的影响

利用商用软件FLUENT 6.2,在双坐标系下,对雷诺时均N-S方程进行离散,采用标准的湍流模型和SIMPLE方法进行求解,对5种不同的叶片包角叶轮与同一个蜗壳的耦合流场进行了数值模拟,得出了低比转速污水泵叶轮与蜗壳内的压力和速度分布规律,为低比转速污水泵的性能预测,水力设计和优化设计提供了依据.包角为190°的叶片工作面流速分布优于其他包角叶片工作面的流速分布,且该叶轮在隔舌附近产生高压区的面积明显小于其他包角的叶轮,选择优化后包角为190°的叶轮试验并与泵外特性模拟预测结果进行了对比.结果表明：若不改变泵水力部件其他几何参数,随着低比转速叶片包角由小向大变化,泵的内流特性存在较明显的差异,泵效率存在极大值.     

UG技术在扭曲叶片三维造型中的应用

扭曲叶片广泛应用于中高比转速叶轮,本文以UG技术对扭曲叶片进行了造型,从而有助于设计人员及时、直观地发现叶片的水力特性和机械特性。可以看出,将UG技术引入叶片水力设计领域,将对提高叶片性能产生积极的重要影响。     

渐开线圆柱形叶片的计算与研究

为克服低比转数离心泵叶轮常用圆柱形叶片的表面脱流，提高叶轮水力效率，设计了一种渐开线圆柱形叶片，并以数学分析方法证明了渐开线两项重要几何特性，这些特性决定了渐开线圆柱形叶片具有良好的水力性能。     

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。     

低比转速离心泵内部流场分析及试验

为了研究低比转速离心泵内部流动特性,对10种不同设计方案的低比转速离心泵进行了数值模拟和性能预测,讨论了叶轮和蜗壳的关键几何参数对内部流场和外特性的影响,分析了不同设计方案下泵内的静压、流线、速度和湍动能等分布,并针对复合式叶轮短叶片的分布位置和蜗壳喉部面积进行了对比试验。试验结果表明,该文优选的方案D,通过增加偏置短叶片后,扬程提高了5.5 m,效率提高了3.23%;增大蜗壳内部和喉部面积后,5种设计方案的额定点扬程均提高了约10 m,效率提高了约5%,且扩大了高效区范围。该研究将为低比转速离心泵的性能     

离心泵可控包角圆柱形叶片型线方程

为进一步改善低比转速叶轮性能,针对低比转速叶轮广泛使用的圆柱形叶片的叶片包角都是由叶片型线的进、出口边条件确定的常数,以极坐标系下的插值方法为基础,导出了一种新的圆柱形叶片投影曲线的插值方程,这一平面曲线的主要特点是其包角可作为设计常量由设计人员根据需要事先给定.给出了基于艾尔米特插值方法的曲线方程的推导过程和结果,即在根据给定叶片包角后,在边界条件支持下,通过计算获得了艾尔米特插值函数的相关四项表达式.同时分析了曲线的部分几何特征,通过微分证明了这一曲线在进、出口半径处,叶片安放角等于给定值,且曲线包角等于给定值.这一新颖的圆柱形叶片将有利于改善圆柱形叶片的水力性能和水力效率.     

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.     

叶轮口环间隙对低比转速离心泵效率的影响

通过改变叶轮口环间隙的大小对不同叶片型式的低比转速离心泵进行试验。证明口环间隙对低比转速离心泵效率的影响与泵叶轮的叶片的型式无关．从能量守恒的角度出发,提出了一种考虑低比转速离心泵口环泄漏量的计算圆盘摩擦损失的方法,以此方法为基础,推导出以泄漏量为自变量的低比转速离心泵机械效率计算公式．最后联合离心泵水力效率和容积效率的计算公式综合分析得出,虽然机械损失随泄漏量增大而减小,但低比转速离心泵的总效率依然随叶轮口环间隙的增大而降低．     

混输泵小流量工况的空化特性

为改善混输泵在小流量工况下的水力性能,采用基于均相流假设的多相流模型和Rayleigh-Plesset方程,应用标准k-ε湍流模型,对混输泵小流量工况全流道空化流场进行数值模拟,分析几种典型空化工况下混输泵的输运性能以及在不同工况下叶轮内部空泡的分布规律,最后根据模拟结果预测混输泵的能量特性并与试验结果作对比分析,从而在一定程度上验证了数值模拟的可靠性.研究结果表明:在小流量工况下,叶片进口绕流和动静干涉对叶轮内的流动分离产生较大的影响,同时旋涡形成的低压区会加剧进口空化、降低泵的混输性能;从初生到深度空化发展过程中,空化首先发生在叶片进口和靠近中间位置,在叶片背面进口的空化程度较严重,越靠近轮毂空化程度越严重,甚至阻塞流动,加剧叶轮内相态分离.该研究结果为混输泵的进一步优化设计、性能改善及实验研究提供理论依据.     

大出口角叶轮离心泵输送粘油性能计算

采用FLUENT计算了44°大出口角叶轮离心泵输送水和粘油的水力性能,通过研究叶轮理论扬程、滑移系数、水力损失系数等重要参数,重点研究了液体粘度对泵水力性能的影响,并将计算的泵扬程和效率与试验数据进行了对比.分析了＂扬程突升＂现象和叶轮理论扬程曲线出现驼峰的原因.结果表明,计算的泵扬程和效率与试验值仅能部分吻合.虽然能够预测出＂扬程突升＂现象,但是不能象试验那样在较宽粘度范围内得到维持.小流量工况的蜗壳与叶轮的强烈作用是叶轮理论扬程出现驼峰的原因.增加叶片出口角会使各个工况下的蜗壳和小流量下叶轮水力损失加大,但大流量下叶轮水力损失下降.     

叶片型线对渣浆泵水力性能及叶轮磨损特性的影响

为研究叶片型线对渣浆泵水力性能及叶轮磨损特性的影响,以LC100/350型渣浆泵为研究对象,工质为石灰石浆液,在叶轮轴面及叶片进出口安放角等参数不变的条件下,采用对数螺旋线进行叶片型线控制,通过数值计算方法,采用离散相模型,分析渣浆泵叶轮叶片型线对其水力性能及磨损特性之间的关系.计算结果表明:采用变角螺线法设计的圆柱形叶片有利于提高水力效率,但将导致扬程的小幅降低;包角120°的叶型为设计空间水力性能最优叶型;不同的叶片型线条件下,渣浆泵的水力性能与其叶轮磨损特性相互制约;小包角的叶片导致泵的水力性能下降,但叶轮磨损强度相对较低;叶轮的磨损强度与固相浓度呈正相关关系,叶轮磨损最严重的部位位于后盖板靠近轮毂的区域;在大流量工况下叶片包角对叶轮磨损强度影响较额定工况及小流量工况显著得多,颗粒粒径的变化与颗粒浓度的变化对泵的水力性能及叶轮磨损特性的影响基本一致.     

超大流量轴流潜水泵叶轮设计与优化

基于升力法对超大流量轴流潜水电泵叶轮进行水力设计,采用计算流体动力学方法对超大流量轴流潜水电泵装置进行全流道数值模拟和性能预测,并对该水力模型进行优化,同时通过试验对计算结果进行验证.分析结果表明：原设计模型在叶轮压力面进口处存在较明显的局部高压区,吸力面进口附近存在明显低压带和局部高涡量区域,消耗较大的能量,是导致叶轮效率低的主要原因之一;通过调整叶片进口角度和叶轮转速2个参数进行模型优化设计,优化后模型叶片压力面的静压分布较均匀,吸力面低压区域相对较小且涡量分布均匀;优化设计明显改善了叶片表面的压力分布和空化性能,同时提高了机组的水力效率;优化后的水力模型性能预测结果与实验结果吻合较好,数值预测结果能够较为准确地反映轴流泵系统的水力性能.研究结果为该类泵水力模型优化和性能改进提供了参考.     

中比转速离心泵叶轮的优化设计及数值模拟

基于流体流动的连续方程和运动方程,通过两类相对流面的迭代计算,实现中比转速离心泵叶轮内准三维正问题的数值计算,得到了轴面速度分布.应用逐点积分法进行叶片骨线绘型,在轴面上加厚叶片,在保角变换平面上修圆叶片头部,实现了离心泵叶轮的反问题设计.正反问题进行迭代计算求解直至收敛,得到最终设计的叶轮.采用RNGk-ε湍流模型和SIMPLEC算法,对离心泵叶轮内三维流场进行数值模拟,得到了叶轮内压力和速度分布.模拟结果表明设计得到的叶轮内部压力分布非常均匀,流动稳定无分离,叶轮出口能量分布合理,所设计的叶轮具有优越的水力性能.     

载荷分布对导叶式混流泵水力性能影响

基于三维反问题原理,分别针对导叶式混流泵叶片及导叶特征载荷分布,结合CFD数值模拟,以水力效率为目标参数,找出相对最优载荷匹配形式,将定常湍流计算结果作为非定常湍流计算的初始流场进行非定常数值计算.结果表明,当特征载荷位于叶道中间略偏向进口处时,水力效率最高,优化后的模型整体水力效率较原始模型提高了3.56%,导叶内部流动均匀性有所提高,叶轮出口处的射流-尾迹现象得到改善.非定常结果表明,叶轮进口处压力脉动幅值最大,对机组整体运行稳定性影响最大,通过反问题设计的模型在叶轮进口压力脉动幅值及导叶出口等处压力脉动幅值均有一定改善,有助于提高机组运行稳定性.     

高扬程大流量离心泵CFD水力优化设计

选哈电A934模型叶轮作为对象叶轮,以预定的泵扬程流量特性(H-Q)为目标参数,在保证出口角不变的情况下,将对象叶轮出口直径延拓到目标叶轮直径,形成待优化的目标叶轮．使用CFX-TASCFlow软件进行改型设计,针对干河泵站最大扬程、最小扬程以及设计扬程对应的工况点,优化叶轮的轴面形状、叶片数量、叶片翼型以及进出口安放角等参数,直至CFD预测的H-Q特性接近或达到预期的目标,获得满足目标参数的目标叶轮．在此基础上,使用Ansys CFX对目标叶轮进行全通道水力设计,优化流道几何参数,匹配进水管、固定导叶以及蜗壳的几何形状,改善泵进出口区域的流场特性．在哈尔滨电机厂有限责任公司高水头试验II台上进行的模型试验表明,基于CFD技术开发的新型高扬程大流量离心泵在高海拔地区复杂工况条件下,扬程、流量、效率、空化性能等指标均达到了预定的设计目标．     

基于数值模拟的单叶片离心泵能量损失分析

为揭示单叶片离心泵效率偏低的主要原因,采用数值模拟的方法对单叶片泵的能量损失进行了详细分析,建立了单叶片离心泵水力损失模型.基于SIMPLEC算法和标准k-ε湍流模型,利用ANSYS CFX软件求解三维N-S方程,分析单叶片离心泵在不同流量工况下的湍流耗散损失和壁面摩擦损失,并搭建单叶片离心泵的外性能试验台,验证了数值模拟的准确性.结果表明:单叶片离心泵的能量损失形式主要为耗散损失和摩擦损失,并且泵内的耗散损失明显大于叶片摩擦损失;效率偏低的主要原因是耗散损失较大,具体表现为单叶片离心泵叶轮流道内存在明显的低速区及流动分离区,且压力呈圆周非对称分布;单叶片离心泵从其叶片进口处到出口处的耗散损失、摩擦损失均不断增大;耗散功率、摩擦功率占总功率百分比及叶轮水力效率呈抛物线分布.     

低比转数离心泵叶轮内的流动机理和叶轮设计

通过分析得出影响低比转数离心泵效率的主要原因是在叶轮出口存在二次流、边界层的分离等引起的射流－尾迹结构，提出了改进的方法。提出叶轮设计方法：加大叶轮出口宽度，增大泵体喉部面积，采用较大的叶片出口安放角、较大的叶片包角，叶片的线型前部采用较小曲率半径，后部采用较大的曲率半径。实例表明此方法能够获得较高效率和较好性能的低比转数离心泵。