叶轮进口挡板改善轴流泵非稳定工况性能研究

轴流泵在不稳定区(马鞍区)运行时,叶轮进口存在回流区,水泵效率低、机组振动加剧,严重时将造成机组结构破坏.在轴流泵叶轮进口设置5种挡板方案,采用商用软件ANSYS CFX,分别对不同的挡板方案进行了三维不可压湍流数值模拟.计算结果表明,挡板与叶轮进口的距离是影响小流量工况水泵性能的主要因素,其中方案3为最佳方案.叶轮进口的轴面流场表明,挡板能抑制小流量工况水泵进口处的回流,降低叶片吸力面的压力,增加叶片的升力,从而有效地提高小流量工况的水泵运行效率.     

离心泵进口回流流场特性的数值模拟及试验

基于有限体积方法,采用标准k-ε湍流模型,应用ANSYS CFX软件对不同工况下低比转速离心泵进口处的三维湍流流场进行了数值模拟.通过在进口流场中设置大量监测点,采集速度变化数据,对回流发生和发展过程中进口处的回流旋涡形态和流场速度分布进行了分析.提出了采用有机玻璃进水管,利用注入的空气气泡作为示踪粒子的可视化试验方案.使用高速摄影仪拍摄气泡的运动轨迹,从而分析不同工况下进水管流场的速度分布.结果表明：模型泵回流发生的关键流量点为0.7Qd;回流发生后,随流量的减小,回流强度增大,回流旋涡的体积变大,旋涡中心向进水管内移动,堵塞部分流道;进口回流会同时在叶轮和进水管内造成与主流方向相反的轴向速度和预旋,随回流强度的增大,轴面回流速度、进水管内的预旋强度增大,预旋在进水管中的影响距离最远到达距叶轮进口10倍叶轮进口直径处;当离心泵关阀运行时,在进水管内将形成柱状涡带.     

低比转数恒扬程泵内部流场数值模拟

应用流场计算软件 CFX,采用修正的 RNG k －ε湍流模型,数值模拟了5种流量（0.6Qd ,0.8Qd ,1．0Qd ,1.2Qd 和1.4Qd ）工况下恒扬程泵的内部流场,重点对0.6Qd ,1.0Qd 和1.4Qd 等3种流量工况下叶轮中间流面的压力场以及速度场进行研究,并提取了该3种流量工况下叶片中间流线的载荷进行分析．采用正则化螺旋度 Hn 对叶轮中间流面以及蜗壳8个断面的涡旋流动进行了分析．模拟结果表明：叶轮出口边存在明显的回流,回流角随着流量的增大而减小;叶片形状对叶片载荷分布规律具有一定的影响;相对于主流运动方向而言,叶间流道内主要是正向涡旋,而蜗壳内部是对称性旋涡,蜗壳内旋涡从隔舌处的断面到螺旋线末端的断面经历了由稳定到不稳定再到稳定的发展过程．     

间隙回流角度对全贯流泵水力性能的影响

为了研究不同间隙回流角度对全贯流泵水力性能的影响。采用CFX软件对全贯流泵装置进行三维数值模拟,分析不同间隙回流角度下的全贯流泵内部流态和性能。首先,针对初始方案,设计2种间隙回流角度并进行数值模拟计算,再分析全贯流泵的内特性和外特性,最后通过模型试验测试验证数值模拟的可靠性。结果表明:主流靠近叶轮进口轮缘处受到间隙回流的影响,轴向速度减小,径向速度增大;间隙回流角度顺着叶轮内流场的方向,间隙回流出口的流量对叶轮进口处的流场影响较小;小流量工况下,叶轮室内流场不稳定,同时间隙回流对叶轮进口轮缘处产生的影响较大,因此避免水泵在小流量工况下运行。但是回流角度的变化会影响全贯流泵的轴功率,增大了圆盘间的摩擦扭矩,进而增加了轴功率,导致效率降低。研究对全贯流泵的优化具有重要的理论意义和指导意义。     

斜流泵小流量工况压力脉动数值模拟与实验

基于标准的Smagorinsky亚格子尺度模型,对斜流泵全流场进行大涡模拟并结合压力脉动实验对小流量工况下的压力脉动和内部流场进行研究。实验结果表明,叶轮进口处的脉动幅值最高,随着流量的降低压力脉动幅值逐渐增加,不同工况下叶轮进口、叶轮出口、导叶进口的压力脉动主频为叶频,但导叶出口脉动主频随着流量的变化而变化。大涡模拟表明,0.8Qopt工况下叶轮进口流动状态较好,叶轮进口轴面速度变化较小,而在0.4Qopt工况下叶轮进口流动状态较复杂,轴面速度变化较大,0.4Qopt工况时叶轮进口冲角增加以及受到相邻叶片叶顶泄漏流的影响,在t*=0.041 6时叶片进口吸力面已发生流动分离,当叶轮从t*=0.041 6旋转到t*=0.124 9时,叶片吸力面流动分离加剧,轮缘处的轴面速度明显升高,同时分离涡的旋转强度也逐渐增强,导致该区域的静压下降,逆压梯度上升,促使回流的产生,当回流到达叶片进口时进口处的静压逐渐恢复,因此叶轮进口流动分离是引起叶轮进口压力脉动幅值增加的重要因素。     

轴流泵叶轮进出口流场的测量

为了获得轴流泵内部流动的真实情况,设计了内部流动测量装置.运用五孔球形探针,对高效轴流泵在0.8Qopt,1.0Qopt和1.2Qopt工况下的叶轮进口和出口速度矢量分布、静压分布和总压分布进行了测量,并分析了不同工况下的轴面速度、环量、圆周方向分速度和压力分布等.测量结果表明：轴流泵模型进口在0.8Qopt至1.2Qopt工况范围内,流动稳定,进口轴向速度从轮毂到轮缘逐渐减小,且进口预旋很小,不同径向位置的静压基本相等.在最优工况下,轮毂与可调叶片间无间隙时,轴流泵叶轮出口基本呈现等环量流型,轴面速度呈现抛物线分布,且效率高.若轮毂侧存在间隙,间隙处的环量、轴面速度、压力和效率均明显下降.     

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。     

离心泵进口回流特性的CFD与试验研究

为研究离心泵进口回流的流场特性及其流动规律,针对IS65-50-160低比转速离心泵,运用定常数值计算与大涡模拟方法,且采用正则化螺旋度分析法对离心泵进口回流漩涡的涡核强度进行分析,最后对模型泵进行了试验研究。研究结果表明：离心泵发生进口回流的初始流量为0.6Qd,并随着流量的减小回流逐渐变强;叶轮一个旋转周期内叶轮流道进口处各监测点的压力脉动都有6个波峰和波谷,靠近叶片吸力面监测点幅值最大,且漩涡的涡核强度变化可以分为发展、衰减、再次发展、保持、衰减五个阶段;通过进行压力脉动测试试验,研究得到进口管监测点处的压力脉动主要以6倍轴频、12倍轴频为主,在流量低于0.6Qd时,幅值相差较小,当流量增加到0.7Qd时,幅值明显减小。     

竖井贯流泵装置马鞍区流动特性分析

为了分析竖井贯流泵装置马鞍区工况的流动特性,基于流体计算分析软件Fluent对某一典型竖井贯流泵装置开展内流场数值模拟,在验证了计算结果准确性的情况下,对比分析了不同工况下叶轮内部的流动状况,研究了叶轮旋转对进水流道出口断面流态的扰动状况以及叶片表面静压分布情况。结果表明:泵装置设计流量下运行平稳,设计合理,在设计流量54%～63%的范围内存在运行不稳定马鞍区;设计工况下叶片表面静压分布均匀,从1.0 Q至0.54 Q,叶片表面高压区从叶片进口边向整个叶片外缘扩散;随着流量的减小水泵内部逐渐出现回流,马鞍区工况时叶片背面靠近轮毂、轮缘处出现较大范围漩涡与回流;小流量下,进水流道水流跟随叶轮旋转,形成与叶轮旋转方向一致的漩涡,并且水流还会撞击壁面形成回流。     

基于LDV的离心泵小流量工况内流场测量

为了研究离心泵中的脱流现象,利用二维激光多普勒测速仪对一低比转数带导叶扩压器离心泵叶轮在4种小流量工况下(0.75Qd,0.50Qd,0.40Qd和0.30Qd)的内部流动进行了精确测量.基于测量结果,得到了各种工况下测量点上的相平均速度场和湍流强度场.通过分析测量结果发现在工况0.75Qd下,叶轮内没有脱流发生.而在工况0.50Qd,0.40Qd和0.30Qd下,叶轮流道中呈现"两流道"脱流现象:相邻两个叶轮流道中的脱流大小和类型完全不同,但此时脱流呈现出120°的周期性,这可能与叶轮叶片数和扩压器导叶叶片数的比率(6∶9)有关.此外,对比分析了各种工况下各个速度分量和湍流强度的分布规律.结果显示:离心泵叶轮内的湍流强度随着流量的减小而增大.在离心泵叶轮出口附近,流量为0.75Qd时,最大湍流强度达到0.06(基于叶轮出口圆周速度u2);而对于工况0.50Qd,0.40Qd和0.30Qd,其最大湍流强度达到了0.12～0.14.     

转速对核主泵空化特性的影响

为研究转速对核主泵空化性能及进口流态的影响,应用理论分析、数值计算和试验研究的方法,对AP1000核主泵进行不同转速下的数值模拟和空化试验,得到3种频率30,40,50 Hz下不同流量(0.7Q_d,1.0Q_d,1.3Q_d)时的空化特性,并对叶轮进口截面静压分布与泵流动性能的影响关系进行分析.结果表明:转速对小流量工况下泵的空化性能影响较大;随着转速的降低,小流量工况下,空化性能曲线趋势变化比大流量工况下明显;在不同转速的额定流量下,转速较大时,模型核主泵在装置临界空化余量(NPSHC)减小时更容易接近临界空化状态;在转速较小时,临界空化余量(NPSHC)较小,且一旦发生空化,其扬程曲线斜度下降也相对平缓;在额定转速下,模型泵在大流量时更容易接近临界空化状态;随着转速和流量的减小,更容易造成模型泵在开始试验阶段进口处产生回流,扰乱进口的流场,从而造成局部空化严重.     

立式轴流泵装置进水流道出口流态与脉动试验分析

进水流道出口流态是影响立式轴流泵装置运行稳定性的关键因素之一,基于立式轴流泵装置整体物理模型,采用在肘形进水流道出口段壁面布置丝状红线和压力脉动传感器,研究分析了不同转速时立式轴流泵装置肘形进水流道出口段的流态及压力脉动变化规律。结果表明,当流量小于0.7Qbep时肘形进水流道出口段内壁面的丝线偏移方向与叶轮旋转方向相同,各测点的脉动幅值均随转速的增加而增加;当流量大于0.7Qbep时肘形进水流道出口段内壁面的丝线偏移方向与泵轴方向相同,各测点的脉动幅值随转速的增加而减小。相同转速时,各测点的脉动幅值随流量的增大先减小后增大,在最优工况时脉动幅值最小。不同转速下,流道出口各测点的脉动主频均为4倍转频,最优工况时各测点的脉动次主频均为1倍转频。随转速增加,肘形进水流道出口段各测点主频幅值的增幅存在差异性,小流量工况时各测点的脉动主频幅值增幅小于最优工况和大流量工况。     

轴流泵导叶进口段调节对其外特性的影响

针对轴流泵在偏离设计工况时,因水流方向的偏离导致其效率急剧下降,在常规导叶的基础上改变导叶进口段的位置,以期能提高轴流泵在非设计工况下的效率,扩大其在高效区的运行范围。将导叶分为进口段、中段和出口段3个部分,并采用数值计算结合模型试验的方法研究了不同导叶进口段位置对轴流泵外特性的影响。结果表明:导叶进口角度的改变影响到导叶体内的流态及其水力损失,从而影响到泵装置的能量性能;在轴流泵导叶原设计进口角度的基础上,沿顺时针方向旋转适当角度,可扩大低扬程泵装置高效运行的范围,显著提高偏离设计工况点的低扬程、大流量区的效率。     

轴流泵叶片的参数化造型及多参数优化

为了实现轴流泵水力性能的自动优化,建立了基于I-sight软件的轴流泵叶轮设计优化平台,实现了模型更新、计算域网格划分、数值模拟计算以及数据读写的自驱动.为了避免传统优化过程中出现的反复造型所带来的问题,对基于圆弧法设计的轴流泵叶片通过进、出口角及不同位置的叶片厚度进行参数化解析,据此提出一种轴流泵叶片的参数化造型方法,实现以较少的变量控制叶片的外形.以轴流泵的水力效率为优化目标,以叶片二维截面的进、出口角为优化变量,以表征性能的参数扬程为约束条件,应用多岛遗传算法对一台比转数为1 500的轴流泵进行优化计算.结果表明:通过500次迭代计算,额定工况的水力效率由80.4%提升到82.4%;在(0.8~1.2)Q_BEP,泵的水力效率均有所提高,高效区域得到了扩大.该结论对于叶轮机械的水力优化和工程应用,有一定的价值.     

高速潜水轴流泵的空化特性

为研究轴流泵内部的空化特性问题,选取1台比转数ns=700的高速潜水轴流泵作为研究对象,利用ANSYS CFX软件进行数值计算,得到外特性曲线,发现在大流量工况下外特性计算结果与试验误差较大.利用Rayleigh-Plesset空化模型和SST湍流模型对潜水轴流泵进行空化定常模拟,求得各工况下泵的临界空化压力,通过分析...     

叶顶间隙对诱导轮内部流动特性的影响

为研究不同叶顶间隙值对诱导轮内部流动特性及非定常特性的影响,采用ANSYS CFX软件,基于SST k-ω湍流模型对某高速离心泵在3种不同诱导轮叶顶间隙率(0.01、0.02、0.03)下进行内部流场数值模拟。分析诱导轮内部流动特性、0.6Qd流量工况下轴向截面压力脉动以及诱导轮所受径向力。结果表明:适当增大叶顶间隙对泵的扬程和效率影响较小,但可以减弱壁面射流,改善诱导轮叶片进口压力分布,提高其空化性能。叶顶间隙对诱导轮进口处压力脉动影响较大,对诱导轮中后段处压力脉动影响较小。对本文模型而言,0.6Qd流量工况下叶顶间隙率增加至0.03时,径向力分布情况最好,说明适当增加叶顶间隙有助于减小和平衡小流量工况下诱导轮所受径向力。     

轴流泵装置反向发电的水力特性

为探究某泵站轴流泵装置反向发电的水力特性,对该轴流泵装置反向发电工况进行全流道数值模拟分析.结果表明：轴流泵装置在额定转速进行反向发电时,其最优工况相比于水泵模式,水头和流量分别提高43%和38%;随着转速增大,效率-流量曲线呈现向大流量方向偏移趋势,高效区范围逐渐增大;导叶进口、转轮进出口压力脉动呈周期性,转轮进出口压力脉动受转轮旋转影响更为显著;压力脉动系数幅值沿径向由轮毂至轮缘逐渐增大,转轮出口的压力脉动幅值最大,约为转轮进口的2倍;在频域方面,压力脉动主频为叶频,次频为2倍叶频,在转轮进出口主频所对应的压力脉动系数幅值沿径向由轮毂至轮缘逐渐增大;在小流量工况,随着轴流泵反向发电运行时的流量越小,出水流道流线越混乱且涡带越明显.研究结果可为泵站轴流泵装置反向发电提供一定的理论支撑和工程运行参考.     

斜式轴流泵装置进水流道的正交优化设计

为改善小流量工况下大型斜式轴流泵装置的水力性能,利用J-Groove流动控制手段对泵装置进水流道进行结构改进.利用正交试验设计方法,确定J-Groove的厚度、长度、个数以及分布角等4个几何因素,分别选取3个水平,建立9组正交试验方案.结合滤波器湍流模型(FBM)的非定常雷诺方程,利用Ansys CFX软件对斜式轴流泵装置三维模型进行非定常计算,获得正交方案在小流量工况下的扬程和效率.采用极差分析方法对正交试验方案的数值结果进行分析,研究各几何因素对轴流泵水力性能的影响规律.结果表明:影响扬程指标的几何因素主次关系为厚度、长度、个数和分布角;影响效率指标的几何因素主次关系为厚度、个数、分布角和长度.最后,通过再设计分析确定了最优方案,并与原始方案的流场进行对比分析,验证了J-Groove技术在小流量工况下抑制轴流泵叶轮进口非稳定流态并改善其水力性能的作用.