降速方式对混流泵压力脉动特性的影响

混流泵在降速过程中的内部流动特性变化对其性能和稳定性有重要影响。针对这一问题,该研究探究了混流泵在降速过程中内部流动的复杂性,尤其关注不同降速方式对泵内压力脉动特性的影响。通过构建多通道测试系统,收集了混流泵在不同降速方式下的外特性参数信号和泵内压力脉动信号。并采用非稳态信号处理技术,从时域、频域和时频三方面探究不同降速方式对叶轮出口和导叶内部的压力脉动特性的影响以及二者之间的相关性。结果表明,泵内压力脉动的峰值和样本熵的变化趋势与不同降速方式的幂指数呈正相关关系;在整个降速过程中叶轮出口压力脉动对导叶内压力脉动起主导作用;叶轮出口和导叶内部压力脉动之间的相干频率主要集中于80~120 Hz之间;在不同降速过程中叶轮出口和导叶内部的压力脉动之间强相关区域的频带范围保持不变,但是强相关区域在整个降速过程频带范围中的占比有所变化;对于具有固定初始转速和目标转速的降速过程,降速方式的改变不会影响叶轮出口和导叶内压力脉动的相干频率。研究结论可为揭示混流泵瞬态运行特性及提高混流泵降速运行中的稳定性提供参考。     

混流泵启动过程压力脉动特性试验

为研究混流泵启动瞬态过程规律,建立了混流泵启动过程瞬态外特性和压力脉动测量系统,探究不同启动时间和不同流量下瞬态压力脉动的时频特性。通过变频器设置启动时间,分别采用LWGY-250型涡轮流量计和MPM480型压力传感器进行瞬态流量和瞬态压力测量,并基于小波变换对启动过程的非平稳压力脉动信号进行分析。研究结果表明,在启动过程中,随着泵转速增加,流量和扬程曲线均可近似分为缓慢上升、快速上升而后缓慢趋于稳定3个阶段,且每个阶段完成时间均与启动时间长短呈正相关。启动结束时刻,由角加速度与低工况运行共同引起的压力冲击现象与流量大小和启动时间有关。流量一定时,启动时间越短,压力冲击越显著;启动时间一定时,流量越大,进口压力冲击越小甚至消失,而叶轮中部与出口的压力冲击愈加明显;1 s启动且稳定工况为1.2倍设计流量时,叶轮中部与出口的最大冲击压力值分别可达37和28 kPa。对于快速启动,流量对启动过程瞬态压力变化无影响,在启动结束后流量对压力变化影响开始显现,当压力趋于平稳时,2种不同流量下叶轮中部的压力差约为30 kPa;对于慢速启动,流量对启动特性的影响在启动过程便有明显体现,在启动结束时刻,叶轮中部和出口的压力峰值均下降15 kPa。启动过程中,叶轮主频为叶频及其倍频,其变化趋势与转速变化一致。快速启动条件下,在启动结束时刻主频压力幅值存在由压力冲击造成的极大值。研究成果可为揭示瞬态运行特性及优化、设计瞬态工作水泵提供参考。     

双叶片泵内压力脉动的数值模拟

为分析双叶片泵内压力脉动特点及其主要影响因素,采用RNG κ-ε模型对由叶轮水体、蜗壳水体及叶轮进口延伸段水体组成的三维计算区域进行3种不同工况下的非定常计算。通过分析计算模拟数据得出压力脉动时域图及频谱图,结果表明,双叶片泵内压力波动呈正弦周期性变化,进口处监测点压力波周期为其他监测点的2倍;压力脉动主要与泵内动静耦合作用有关,叶轮进口压力脉动主频等于叶轮的转频,叶轮与蜗壳耦合处及蜗壳出口压力脉动主频等于叶轮转频与叶片数的乘积,不同流量下同一监测点具有相同的主频,但其主频幅值不同,小流量下幅值最大,设计流量下幅值最小,叶轮与蜗壳耦合处压力脉动从隔舌处开始在叶轮旋转方向上逐渐衰退,所得结论对掌握双叶片泵内压力脉动产生的原理及其特性具有重要的指导意义。     

启动方式对混流泵噪声特性的影响

泵段处噪声特性的演变规律对混流泵启动过程中的稳定性监测有重要意义。为探究不同启动方式下混流泵噪声的变化规律及其影响因素,该研究采用声振测试系统采集了混流泵在线性和非线性启动(指数函数启动)方式下的噪声、主轴振动和压力脉动数据。然后,基于声学信号处理方法对采集到的噪声信号进行了分析,并通过相干性分析研究了启动过程中叶轮出口压力脉动、主轴振动与泵段处噪声的关系。结果表明：不同启动方式下的高幅值声压均出现在启动后期,且凹指数函数启动方式下高幅值噪声区域出现的时间最短、冲击噪声相对最小,表明该启动方式有利于避免启动过程中剧烈的机械碰撞和冲击。噪声的共振峰分析结果表明,凹指数函数启动方式导致混流泵启动失稳的概率相对最小;不同启动方式下的噪声A计权声压级最高值均出现在中心频率250 Hz处,线性启动方式的总有效声压级最小,但与线性启动相比,凹指数函数启动方式能降低启动过程中的中频段声压级和部分低频段声压级;叶轮出口压力脉动是影响混流泵启动过程中噪声主声压级的主要因素之一,主轴振动只影响极低频段处的噪声。研究成果对混流泵启动稳定性的改善有重要的参考价值。     

叶顶间隙大小对螺旋离心泵内部压力脉动的影响

叶顶间隙大小是影响半开式螺旋离心泵内外特性的重要因素之一,为充分探究叶顶间隙大小对其内外特性的影响程度及作用机理,该文以一台比转速237的单叶片螺旋离心泵为研究对象,通过设计叶顶间隙专用调节机构,分别调整叶顶间隙大小至0.3、0.5和0.8 mm,与叶轮外径的比值分别为0.13%、0.22%和0.35%。针对3种叶顶间隙大小情况,同时进行外特性试验和压力脉动试验研究。压力脉动的监测点包括叶轮进口边、叶轮中部、蜗壳第三断面和蜗壳隔舌附近。结果表明叶顶间隙大小与叶轮平均直径的比值应介于0.13%~0.22%之间。同时,结合压力脉动试验获得的实测压力波形图、压力系数波形图及频域图,分析了单叶片螺旋离心泵内部压力脉动的规律,为半开式螺旋离心泵的减振降噪提供参考和借鉴。     

不同叶轮外径下双流道污水泵压力脉动特性分析

叶轮外径是双流道污水泵的一个重要结构参数。基于Mixture多相流模型对双流道泵进行了非定常数值计算,研究了设计工况下不同叶轮外径(101、103和105 mm)对泵内压力脉动的影响,并进行了试验验证。结果表明不同叶轮外径时加入适量颗粒后蜗壳周向各点压力脉动基本均在减小且最大减幅达30.9%,各点平均压力脉动减小量随外径增大而减少。加入适量颗粒后随叶轮外径的增大隔舌附近各点压力脉动随时间的周期性越来越不明显,各点压力脉动主频基本都是叶频;随外径变大压力脉动最大幅值相比清水的减小量先增大后减小,各点平均幅值最大减小了22.7%。加入颗粒后叶轮外径增大到105 mm时动静干涉增强各点瞬时静压均剧烈波动,输送固液两相流时选择合适的叶轮外径能减小泵内压力脉动。     

高比转速斜流泵内部非定常压力脉动特性

为了研究斜流泵叶轮和导叶的动静相干作用引起的内部压力脉动特性,该文基于标准k-ε模型,采用SIMPLEC算法和滑移网格技术,对高比转速斜流泵进行非定常数值模拟,分析了不同工况下的叶轮进出口、导叶中部和导叶出口等位置的压力脉动的时域和频域特性。通过定常计算的扬程、效率值与试验值进行对比,证明该计算方法和网格可以较准确地反映斜流泵内的流动特性。计算结果表明,斜流泵最大压力脉动发生在叶轮进口前,泵运行偏离最优工况越远,叶轮进口处压力系数幅值越大,在0.7Qopt工况时叶轮进口监测点P03的压力系数幅值约为最优工况的1.5倍;压力脉动主频为叶轮叶片通过频率。研究成果为揭示斜流泵内部压力脉动规律提供了一定的理论参考。     

脉动压力腌制禽蛋的试验研究

为了缩短咸蛋加工时间，改善咸蛋品质，提出了脉动压力技术加工咸蛋。该技术是将鸡蛋置于盛有盐溶液的压力容器中，通过电磁阀的通断控制压力容器的加压与卸压，实现压力脉动。其腌制机理是利用高压状态渗透压增大，加快盐分渗入到蛋壳与蛋内；低压状态，蛋内压力小于外界压力，加速渗出蛋内气体和水分，达到缩短咸蛋加工时间的目的。一般用比方法加工，2～3d即可腌制出合格的咸蛋，加工效率提高10倍左右。试验结果显示，盐溶液浓度与压力对咸蛋含盐量影响最为显著，高低压保持时间分配对咸蛋含盐量有一定影响。     

基于Hilbert-Huang变换的混流泵流动诱导振动试验

混流泵水力诱导的机组振动是混流泵运行失稳的重要因素之一,为了研究混流泵水力激振诱导的机组振动情况,基于本特利408数据采集系统,测量获得了空载和负载工况下混流泵泵体和泵体基座不同位置处的振动信号,通过希尔伯特-黄变换对原始振动信号进行经验筛分分解,获得了不同模函数分量的频谱分布。研究结果表明,相比空载运行,混流泵负载工况运行时水力诱导的机组振动明显加剧,但在不同方向上,水力激振引起的振动各不相同。X方向上2个工况下的振动频谱分布基本相似,而在Y方向、Z方向和混流泵底座上,负载工况下波形的频带分布变窄,能量分布较为集中,且Z方向的原始振幅要明显大于Y方向,约为Y方向原始振幅的2倍。混流泵负载工况运行时,低频振动占据主要振动能量分布,使得不同模函数分量的主频向低频方向移动,水力诱导混流泵机组的振动以中低频振动为主。该研究可为有效降低或防止混流泵水力诱导的机组振动恶化提供参考。     

脉动压力腌制禽蛋的试验研究

为了缩短咸蛋加工时间,改善咸蛋品质,提出了脉动压力技术加工咸蛋。该技术是将鸡蛋置于盛有盐溶液的压力容器中,通过电磁阀的通断控制压力容器的加压与卸压,实现压力脉动。其腌制机理是利用高压状态渗透压增大,加快盐分渗入到蛋壳与蛋内;低压状态,蛋内压力小于外界压力,加速渗出蛋内气体和水分．达到缩短咸蛋加工时间的目的。一般用比方法加工,2～3d即可腌制出合格的咸蛋,加工效率提高10倍左右。试验结果显示,盐溶液浓度与压力对咸蛋含盐量影响最为显著,高低压保持时间分配对咸蛋含盐量有一定影响。     

斜流泵叶轮水力径向力的数值模拟与试验验证

该文采用数值分析法研究了斜流泵叶轮的水力径向力变化规律,通过数值模拟准确地预测了斜流泵的水力性能,扬程预测误差在4.4%以内。通过数值分析获得了斜流泵叶轮的瞬态水力径向力数据,均匀进口条件下,叶轮的瞬态水力径向力均值几乎为零。对瞬态水力径向力进行傅里叶分析,获得其在频域内的分布,结果显示,当工况从0.6倍设计流量点变至0.4倍设计流量点时,1倍和4倍轴频下的径向力突然增大,叶轮的水力不平衡和动静干涉中的叶片通过激励增强了上述频率下的水力径向力数值。流场分析显示,在小流量工况时,叶轮与导叶体之间的回流涡旋完全占据了泵内流道空间。进一步的压力脉动分析证实,在小流量工况下,动静干涉中的叶片通过激励显著增大了叶轮与导叶之间测试点的压力脉动幅值。     

速度矩分布规律的参数化描述及对混流泵性能的影响

为提升设计水平、改进混流泵叶片速度矩分布规律的给定,该文通过理论分析,对速度矩分布规律进行参数化表述,选取无量纲速度矩沿流线分布曲线的相对系数a0与速度矩分布曲线在叶片出口处的导数值P作为速度矩分布参数。基于混流泵叶轮正反问题迭代法设计平台,给定不同速度矩分布参数组合设计了一系列混流泵叶轮。基于SIMPLEC算法,通过求解N-S方程和RNGk-ε湍流模型方程,对混流泵叶轮内部三维湍流流场进行了模拟,获得了相对速度与压力分布,并预估了水力效率。研究表明,速度矩分布参数直接影响着叶片包角与出口边位置,进而影响到叶轮内部相对速度与压力的分布以及流动的稳定性。合理选择速度矩分布参数,有利于增强叶片对于流体运动的控制能力,改善叶轮内部压力分布,使叶轮具有更为优越的水力特性。该文提出的速度矩分布规律参数化方法,为混流泵叶轮设计过程中速度矩分布规律的给定提供了有益的借鉴。     

不等间距叶片对离心泵性能及压力脉动影响分析

为研究叶片不等间距对离心泵性能及压力脉动影响,以一比转数为132.7的离心泵为研究对象,基于转子自动平衡理论建立了3种叶片不等间距叶轮模型,并对模型泵全流场进行了CFD数值计算,获得了模型泵外特性、叶轮内流分布及蜗壳内压力脉动信息。利用外特性试验验证了计算方法的准确性,并对叶片不等间距与原等间距叶轮模型计算结果进行了对比分析。分析表明：叶片不等间距布置会使泵扬程降低,效率升高,且最小角间距越小,扬程下降越明显,效率上升越明显,但最小角间距为45°、50°、55°时,3个工况下的扬程、效率计算值变化幅度均保持在5%以内,满足设计要求;叶片不等间距布置后叶轮工作面附近的低速区更明显,且主要存在于较宽流道,最小角间距越小,低速区范围越大;叶片不等间距模型在145 Hz及其谐频处产生新的压力脉动峰值,一定程度上改善了压力脉动频谱平稳性,其中最小角间距为45°、50°的2种模型在此处的脉动量整体比叶频处脉动量还大。该研究结果可为离心泵优化设计提供参考。     

导叶式混流泵多工况内部流场的PIV测量

为研究不同流量工况下混流泵内部流动特性,该文基于粒子图像测速技术(particle image velocimetry)对0.8、1.0、1.2倍流量工况下混流泵的内部流场进行试验研究,测量获得了混流泵叶轮进口轴截面、叶轮与导叶间隙和导叶内部流场的速度场分布,分析了流量变化对混流泵内部流动的影响。研究结果表明,外特性试验重复性较好,试验结果较为可靠。3个工况下混流泵叶轮进口流场的速度分布趋势基本一致,进口的来流基本沿着轴线方向;随着流量增加,叶轮进口速度不断增大,最大速度达到7.49 m/s,从轮毂到轮缘高速区域速度梯度更为明显,速度等值线分布逐渐形成以左上角为圆心,不断向周围递减的趋势。受动静干涉作用影响,叶轮与导叶间隙流场速度分布较为紊乱,在导叶进口边轮毂附近形成逆时针方向旋涡,诱使叶轮出口流体向外缘侧偏转;随着流量增加,逆向旋涡明显减小,内部流动更趋于平稳。动静干涉效应进一步影响导叶进口流场并形成明显的旋涡结构,造成流道堵塞;在导叶出口由于环形蜗室的影响形成大尺度旋涡结构;随着流量增大,导叶外缘高速区向下游移动,导叶进出口的旋涡结构逐渐消失,流动损失减小。研究成果为揭示混流泵内部流动特性和优化混流泵设计提供参考。     

基于准稳态假设的混流泵启动特性分析

为了研究混流泵启动过程的准稳态性能,该文以瞬态外特性试验性能参数为依据,获得了混流泵准稳态计算的外特性曲线和无量纲扬程瞬态性能曲线,通过对3种转速下的压力场、速度矢量分析,总结出准稳态计算混流泵内部流动的一般性规律并与粒子图像测速技术(particle image velocimetry,PIV)测量的瞬态内部流场进行对比。研究发现,准稳态计算扬程呈现直线上升趋势,并随着体积流量的增大逐步偏离试验扬程;3种转速下泵内压力具有相同的分布趋势,叶轮进口截面相对速度矢量近似满足相似定律,并在低转速下出现大尺度的叶顶泄漏涡。与无量纲瞬态性能一致,瞬态PIV测量结果呈现出明显不同于准稳态工况的瞬态效应:在0.75 s时准稳态计算中叶顶泄漏明显,在外缘形成泄漏涡和进口边回流,而瞬态PIV测量中端壁区边界层正从层流向湍流发展;在1.07 s时准稳态计算中叶轮进口速度分布较为均匀,而瞬态PIV测量中流体在惯性力作用下呈现从轮毂向轮缘运动的趋势,卷吸效应较为明显;在1.35 s时准稳态计算结果与1.07 s时的速度场分布较为相似,而瞬态PIV测量中加速的卷吸效应更为显著,外缘高速流动区域随着转速的增加不断增大。该研究可为考证准稳态假设方法的准确度和揭示混流泵启动过程瞬态内部流动特性提供参考。