可调导叶式轴流泵马鞍区水力特性试验研究

为了分析不同导叶安放角对轴流泵在马鞍区工况运行时的影响,探究导叶角度的优化规律,在水泵模型试验台上,对一种新型可调导叶式轴流泵的外特性进行测试,得到不同导叶安放角下H-Q、η-Q、P-Q曲线,分析了导叶安放角对轴流泵马鞍区水力特性的影响.试验结果表明:相同流量工况下轴流泵的扬程和效率随着导叶安放角由0°向-5°调节而增大,调节导叶安放角,能够有效抑制叶片背面脱流旋涡的扩散,显著改善轴流泵出口的流态,提高动能回收的比例;在马鞍区工况下,扬程最大提升0.15m,为设计扬程的4.69%,效率最大提升1.93%;马鞍区起始点流量向小流量偏移了0.00494m3/s,马鞍区范围减小了6.64%,拓宽了轴流泵稳定运行的区域;导叶安放角在-5°～0°的调整过程中,轴流泵的轴功率没有明显变化;在本次试验条件下,导叶安放角为-5°时马鞍区水力特性改善效果最明显,但仍有进一步提升的空间.     

可调导叶式轴流泵压力脉动数值分析

轴流泵叶轮内部的压力脉动是影响其运行稳定性和叶片疲劳破坏的重要因素之一,为了研究压力脉动的特征和根源,探索压力脉动的水力优化方法,应用CFD方法模拟轴流泵内部非定常流动,在模型试验结果验证的基础上,计算了叶轮叶片和导叶表面的压力脉动,采用快速傅里叶变换进行信号处理和分析比较。研究结果表明:叶轮叶片表面压力脉动的主频是导叶通过频率,导叶表面压力脉动的主频是叶片通过频率;在小流量工况下,通过调节导叶角度可以显著降低叶轮叶片和导叶表面因动静干涉引起的压力脉动,从而降低疲劳破坏的风险。     

立式轴流泵装置进口导水锥支架对马鞍区性能影响研究

【目的】研究进口导水锥支架对"马鞍区"和设计流量工况下立式轴流泵装置水力性能以及水泵内部流场的影响。【方法】基于RANS方程和SST k-ω湍流模型进行三维计算,选择立式轴流泵装置进行有无进口导水锥支架方案的对比分析,通过模型试验验证了数值计算的可靠性。【结果】小流量工况下,无进口导水锥支架方案立式轴流泵装置进水流道出口出现流动回流,形成大范围回流漩涡,造成进水流道堵塞,引起大量低频压力脉动,并产生能量损失,致使扬程突降,出现马鞍区。有进口导水锥支架方案可以有效抑制回流漩涡的范围和强度,降低低频压力脉动,提高泵装置稳定性。马鞍区最低点扬程上升5.5%,明显消除马鞍形。设计流量工况,进口导水锥支架的设置增加了叶片做功能力,抵消了支架的部分水力损失,使得扬程下降较小,约1.3%,内流场较为均匀。【结论】进口导水锥支架在工程应用中具备改善立式轴流泵装置马鞍区的巨大潜力。     

轴流泵马鞍区水力性能与压力脉动测试与分析

为了分析轴流泵在马鞍区工况的运行特性,对一轴流泵不同工况下的外特性和压力脉动进行了测试,重点分析了轴流泵马鞍区水力特性和压力脉动特性.试验结果表明:模型泵H-Q曲线在0.50Q_d~0.60Q_d内表现出明显的马鞍形,且扬程在马鞍区内0.55Q_d工况时达到最小值,较0.60Q_d工况扬程降低0.33 m,为设计工况下扬程的5.5%;叶轮进口和泵出口处压力脉动具有较为明显的周期性,单个周期内压力脉动表现出明显的4波峰4波谷特征;0.55Q_d工况时,叶轮进口处压力脉动峰峰值为设计工况的2.3倍;各工况下导叶中间和出口处压力脉动规律较为复杂;叶轮进口压力脉动主频为叶片通过频率,0.55Q_d工况叶频处的幅值最大,高于设计工况27.6%.小流量工况下,导叶中间、导叶出口处压力脉动在频域内出现较多低频信号,压力脉动频率成分较复杂.泵出口压力脉动主频在1.00Q_d工况下明显表现为叶频.研究成果可为轴流泵不稳定运行特性的优化提供参考.     

前置导叶对轴流泵马鞍区工况回流涡特性的影响

基于RANS方程和SST k-ω湍流模型,对带前置导叶轴流泵进行三维非定常计算,研究了"马鞍区"工况进水流道回流涡的特性以及前置导叶对回流涡结构及压力脉动的影响,揭示了前置导叶提高轴流泵"马鞍区"工况扬程的机理。结果表明,小流量工况,轴流泵进水流道内形成大范围螺旋形回流,其与主流的剪切作用导致回流涡的产生,引起大量低频压力脉动,并造成能量损失,致使泵扬程下降,出现马鞍形;增设前置导叶可打破连续的回流涡,降低低频压力脉动幅值,提高轴流泵运行稳定性;同时,前置导叶可提高轴流泵扬程,消除扬程曲线马鞍形,且随着前置导叶位置不断靠近叶轮进口,泵扬程提高幅值不断增大;最后,前置导叶调角可进一步提高轴流泵扬程。     

轴流泵马鞍区流场流固耦合数值模拟

为了分析轴流泵不稳定运行马鞍区工况内叶轮的结构,并研究该结构的稳定性,采用雷诺时均离散方法和标准k-ε湍流模型对泵装置流场进行CFD数值模拟,利用ANSYS的Workbench平台,通过单向流固耦合模型对叶轮的应力和应变进行计算,得到了不同工况下叶轮受流体压力作用所产生的等效应力及变形量,研究了叶轮结构的应力和变形量随流量的变化特征.研究结果表明：在40%～75%设计流量下不稳定运行马鞍区,数值模拟能准确地计算轴流泵内部流场,泵装置内部流态随流量的减小逐渐紊乱.轴流泵叶片表面应力分布不均,集中分布在叶片根部,随着流量的减小最大应力逐渐增大,马鞍区工况叶片结构应力有较大的安全余量,满足强度要求;叶片进水边外缘叶尖处变形较大,振动现象明显,最大总变形量随着流量的减小先增大后减小,但大变形区域由叶尖向叶缘扩散.研究结果为轴流泵马鞍区安全稳定性研究提供了一定参考.     

导叶出口安放角对双向轴流泵水力性能影响研究

随着湿地生态保护治理过程中对双向轴流泵的需求日益增加，开发设计双向轴流泵已然成为重要课题，为了探究导叶出口安放角对轴流泵双向运行性能的影响，以一台比转速为903的轴流泵为研究对象，利用ANSYS CFX软件的标准k-ε湍流模型对5种不同导叶出口安放角的双向轴流泵进行定常和非定常数值模拟，研究分析了导叶出口安放角对轴流泵双向运行的外特性、水力损失、内部流场、压力脉动的影响。结果表明：正向运行设计工况下，减小导叶出口安放角，可减小导叶部分水力损失，并且减小导叶吸力面低压区面积，因脱流产生的能量损失也随之减小，轴流泵效率明显增大；设计工况反向运行时，随着导叶出口安放角的减小，导叶回收能量的能力也随之减小，导叶部分水力损失增加，并且轴流泵效率降低。改变导叶出口安放角度，可对正向运行时轴流泵内压力脉动产生一定影响。适当增加正向运行时导叶出口安放角均能在一定程度上减小轴流泵内压力脉动幅值，改善能量损失；导叶出口安放角对双向轴流泵反向运行时的压力脉动幅值大小无明显影响。因本次研究的轴流泵为双向运行，结合正反两向效率变化相反的情况，考虑该轴流泵在双向运行时均有较高效率的运行范围，所以取导叶出口安放角为...     

前置导叶可调式轴流泵低频压力脉动特性研究

基于RANS方程和SST k-ω湍流模型,对前置导叶可调式轴流泵进行三维非定常计算,研究了前置导叶调节对轴流泵外特性和压力脉动的影响,揭示了小流量工况泵内低频压力脉动随前置导叶调节变化机理。结果表明:前置导叶负角度时,轴流泵扬程升高,效率在小流量工况基本保持不变,大流量工况略有升高;前置导叶正角度时,轴流泵扬程和效率均下降,且大流量工况效率下降幅度较大;小流量工况泵后置导叶内的涡旋引起低频压力脉动,且低频压力脉动频率与涡脱落频率一致;偏离设计工况时,前置导叶调节可减小叶轮进口流动冲角,改善泵内流态,从而降低低频压力脉动幅值。     

低扬程大流量泵装置马鞍区的流动特性

运用数值模拟与模型试验相结合的方法,采用计算流体动力学软件Fluent,在双参考坐标系下,利用有限体积法对雷诺时均Navier-Stokes方程进行数值离散,选用标准k-ε湍流模型,SIMPLEC方法求解,对轴流泵模型装置20%～130%额定流量工况点的外特性进行了数值模拟,并将计算结果与模型试验结果进行对比.通过对设计工况和小流量马鞍区工况下CFD流态图样的对比分析,对马鞍区的流动特性进行了研究.结果表明：在50%～65%设计流量区域存在轴流泵的运行不稳定马鞍区;小流量工况下泵室内转轮进出口均存在大范围的回流和旋涡,激烈的能量交换是轴流泵出现不稳定区、装置无法稳定运行的主要原因;数值模拟与模型试验结果吻合较好,整体误差不超过5%,由此证明了数值模拟的有效性和准确性.     

导叶对轴流泵性能影响的试验

对设计模型轴流泵在无导叶和有导叶时的外特性进行测试,在导叶进出口位置开设测孔,并运用球形五孔探针对导叶进出口流场进行测量,得到绝对速度的周向、轴向及径向速度分量的分布曲线.测量结果表明：轴功率变化曲线在有导叶和无导叶时趋于一致,可忽略导叶对叶轮内流动的影响;在设计最优工况下,导叶出口绝对速度的圆周分量较小,导叶可回收的旋转动能约占叶轮出口总能量的15.7%;无导叶时泵的运行工况点向小流量工况偏移,在设计无导叶轴流泵时应在原有设计参数的基础上进行参数补偿.运用球形五孔探针测量三维流场中速度,具有适用性强、方法简单、测量精度较高的优点.试验结果揭示了导叶对轴流泵性能影响的规律,为进一步研究轴流泵内部流场提供了理论和实际应用参考.     

弯管对双向轴流泵导叶区流动的影响

轴流泵弯管会对其上游流体产生干扰,为研究弯管和导叶的最优相对位置,以1台高比转数双向轴流泵为研究对象,分析了导叶网格转动时数值模拟结果产生变化的原因,发现导叶和叶片、导叶和弯管相对位置的变化均会影响定常数值计算结果,进而基于LES方法模拟了去除导叶和叶片流道的流场,分析了导叶和弯管相对位置变化时泵性能变化的原因,通过比较不同位置导叶区的流场进一步验证了结果,分析表明:由于弯管的影响,导叶安放位置不同时泵的性能有一定变化,导叶叶片进口冲角可能偏离设计冲角,设计时可通过延长扩散管、减小弯管角度或调整导叶布置来减小弯管对泵性能的影响.     

扩散导叶对贯流泵装置性能影响

贯流泵装置中扩散导叶的叶片数是影响其装置水力性能的一个因素,故有必要对其进行计算和分析.通过CFD方法对配有不同导叶体的灯泡贯流泵装置内部三维流动进行了全流道数值模拟计算,获得了5种不同方案（4片、5片、7片、8片导叶和改进后的5片导叶）下贯流泵装置水力性能以及导叶段的水力损失,分析了不同导叶叶片数和叶片形状对贯流泵装置外特性的影响.结果表明,导叶体内的水力损失基本上随着导叶叶片数的增加而增大,而泵装置的效率不完全符合这一规律;采用5叶片导叶方案的泵装置效率较高,且内流场的压力和流速分布较为均匀;改进后的5叶片导叶体内的水力损失最小,泵装置效率最高,提出了对确定叶轮的最佳导叶叶片数的匹配.     

不同导叶参数对箱涵式轴流泵装置水力性能的影响

为了研究不同导叶参数对箱涵式轴流泵装置水力性能的影响,采用正交设计的方法,选取导叶叶片数、相对位置及扫掠角作为设计因素,每个因素选取3个水平进行组合,应用数值模拟方法研究3个因素对泵装置效率、出水流道轴向均匀度、导叶体水力损失及出口处平均涡角的影响规律,最终综合确定最优的设计方案.研究结果表明:如果只改变导叶的参数,导叶叶片数对导叶出口处的平均涡角和出水流道轴向均匀度影响较大;导叶相对位置在对泵装置的效率和导叶体水力损失影响中占主导地位;随着导叶扫掠角增大,泵装置效率、出水流道轴向均匀度、导叶体水力损失先增大后减小,平均涡角影响较小;对比数值计算和模型试验的结果,在设计工况附近效率基本吻合,扬程在误差允许范围内.研究结果可为箱涵式轴流泵装置优化设计提供一定的理论依据.     

导叶径向位置对井用潜水泵性能的影响

为研究导叶径向位置对潜水泵性能的影响,针对250QJ125型井用潜水泵,在其他参数一定的条件下,通过改变空间导叶入口径向位置,设计了9组潜水泵导叶方案.基于雷诺时均N-S方程、RNG k-ε模型,采用SIMPLE算法,对井用潜水泵空间导叶在不同径向位置模型的内部流动进行了全流道三维数值计算.对计算结果进行分析,获得了不同导叶方案时潜水泵的性能参数,对比了不同方案导叶损失及其过水断面面积变化规律,以及导叶内部的湍动能与静压分布.结果表明:导叶径向位置对潜水泵性能影响十分显著;当径向距离增大直到导叶位于适当位置时,导叶内部损失较小,具有较强的能量转换能力,导叶内部的湍动能波动程度减弱,大大降低了流动损失,泵效率提高;但当径向距离过大时,导叶过水断面面积变化规律出现明显差异,湍动能波动程度加剧,导叶流动损失增加,泵性能下降.     

轴流泵水力模型选择专用软件的开发

为选择到合适的轴流泵水力模型，基于轴流泵段性能与泵装置性能之间的关系，确定水力模型选择的方法与步骤，提高泵段模型与进、出水流道组成的泵装置效率。以南水北调工程水泵模型同台测试成果为主要的数据资料，采用Manab结合Visual C＋＋语言开发了选择轴流泵水力模型的专用软件，通过输入泵站扬程、流量数据，计算出满足基本要求的水力模型、原型泵的转速与叶轮直径以及原型泵的综合特性曲线。计算结果表明，该专用软件为比选水力模型建立了优秀的平台，在轴流泵站设计水泵选型中具有较高的应用价值。     

工质黏度对导叶式液力透平压力脉动特性的影响

为探究液力透平内压力脉动受工质黏性的影响,基于雷诺时均N-S方程和标准k-ε湍流模型,以带导叶的离心泵反转作液力透平为研究对象,选取清水及2种黏油作为对比工质进行三维瞬态数值模拟,并对模拟结果进行时域及频域分析.结果表明:清水工质下叶轮部分流道内存在和叶轮同向的非定常涡,而黏油工质下叶轮及尾水管内流场结构显著改善,黏性作用下,动静叶栅的相干作用仍是透平内压力脉动的主因.导叶内的平均压力脉动最强,叶轮内次之,尾水管内相对最弱,且此规律不受工质黏度影响.随着工质黏度的增大,各监测点的压力脉动峰峰值及最大压力脉动幅值均减小,且与导叶、尾水管内各测点主频及次主频幅值的变化趋势均同步,而与蜗壳、叶轮内各测点主频及次主频幅值的变化趋势差异较大,但与二者之和趋势吻合.同时,工质黏度越大,蜗壳、导叶和叶轮内各测点的时均静压越低.