隔舌安放角对中比转速离心泵非定常性能的影响

【目的】研究多工况下隔舌安放角对中比转速离心泵非定常性能的影响。【方法】对5种不同隔舌安放角的离心泵模型进行了在0.8 Qd、1.0 Qd、1.2 Qd工况下的定常与非定常的数值模拟,得到离心泵的外特性曲线以及蜗壳隔舌、出口处的压力脉动情况,并对其进行了频域分析。【结果】存在一个最佳的隔舌安放角使离心泵在设计工况下效率最佳,且最佳效率点向大流量点偏移。随着隔舌安放角的增大,隔舌和出口处的压力变大,流道内的流线更加平顺光滑。各监测点的压力脉动具有明显的周期性,压力系数随流量的增大而增大,随隔舌安放角的增大而减小。不同工况时,隔舌处的压力脉动幅值随隔舌安放角的增大呈先减小再增大的趋势,在28°时达到最小值;出口处的压力脉动幅值随隔舌安放角的增大而减小。【结论】适当的增大离心泵的隔舌安放角有利于减小离心泵的压力脉动,提高其性能。     

蜗壳隔舌半径对离心泵性能及水力载荷特性的影响

为研究蜗壳隔舌半径对离心泵性能及水力载荷特性的影响,针对同一叶轮匹配5种不同隔舌半径的离心泵进行非定常数值计算.通过计算获得了不同泵的水力性能、压力脉动特征、叶片载荷及叶轮上的径向力分布,并且与试验结果进行对比分析,验证了采用的数值计算方法具有较高的正确性.研究结果表明:隔舌半径对扬程的影响较小,随隔舌半径的增大,各工况下效率呈先增大后减小的趋势;当隔舌与基圆半径之比TR取值为0.09~0.24时,叶片工作面与背面的载荷差值有最小值,即此时叶片受力沿进口至出口的变化最小;随着隔舌半径的增大,泵内的压力脉动水平逐渐降低,TR=0.03时,叶频处的压力脉动幅值约为TR=0.3时的2倍;隔舌半径对叶轮径向力的大小影响显著,在设计工况下,径向力随隔舌半径的增大而增大,且TR=0.3时的径向力约为TR=0.03时的2.5倍.     

叶片安放角变化规律对离心泵性能影响分析

分析了3种不同叶片安放角变化规律对泵性能的影响.叶片工作面和背面的相对流速根据流道内质点运动微分方程求解,压力分布根据相对运动Bernoulli方程计算,将压力力矩沿叶片表面进行积分得到泵叶轮的等价输入功率.根据叶片表面的相对速度计算叶轮扬程的滑移系数,进而计算各工况下泵的扬程以及水力效率.通过分析及试验研究表明,采用滑移理论可以准确分析设计工况点叶片安放角变化规律对泵性能的影响,双圆弧和线性变化规律的差别对泵的扬程影响不大,单圆弧叶片叶轮的扬程略低.影响滑移系数的关键是叶片工作面靠近出口部分的型线的设计.     

叶片进口安放角对离心泵空化性能影响

空化在泵类产品中广泛存在,因此成为水泵设计中重要考虑要素。为更加全面研究进口安放角对空化性能影响,在某水力模型基础上进行正负冲角添加,获得5组叶片模型。采用RNGk～ε模型考虑湍流影响,采用均质多相模型和Rayleigh-Plesset方程考虑空泡生长和溃灭,对5组模型进行三维定常湍流空化流场数值模拟。结果表明：在某范围内添加冲角对离心泵空化性能影响不大,添加负冲角会加速泵空化性能的恶化。该结论为水泵设计者选取合理叶片进口安放角提供有益参考。     

中比转速离心泵实验分析及性能预测

为了研究中比转速离心泵性能及内部流场特性,以比转数102离心泵为研究对象,采用fluent,在双参考坐标系下,选用RNGk-ε模型,应用有限体积法对雷诺时均N-S方程离散计算,压力和耦合采用SIMPLEC算法求解。同时,为了提高预测精度,采用5套不同网格方案对模型泵的效率进行网格无关性检验。并且从小流量工况下计算结果分析对比,得到离心泵外特性及内部流场变化规律。研究表明:数值计算与实验结果相比,设计工况下,扬程的预测误差为2.02%,效率的预测误差为1.99%;随着流量的降低,计算效率的误差逐渐增大。在设计点,离心泵的内部速度流线比较光顺;而在小流量工况下,离心泵进口和叶轮均出现漩涡现象;随着流量的降低,漩涡面积增大,数量也在增加。     

隔舌间隙对自吸离心泵自吸性能的影响

为分析隔舌间隙对泵自吸性能的影响及其原因,进一步掌握泵的自吸机理,对外混式自吸离心泵在不同隔舌间隙时的自吸过程进行了高速摄影试验,通过图像处理技术研究蜗壳扩散段内气泡的数量、大小及运动轨迹,同时测量自吸完成时间。研究结果表明,自吸过程中扩散段靠近气液分离室左侧区域的气泡呈现小而密的特点,右侧区域的气泡呈现大而疏的特点。直径较小的气泡在蜗壳扩散段出口更容易被排出,较大的气泡在扩散段内振荡、回旋,不利于自吸的完成。当隔舌间隙从1.0 mm增加到2.5 mm时,经过隔舌进入扩散段的气泡平均直径从1.2 mm增加到1.9 mm,自吸完成时间从28 s上升到113 s,即隔舌间隙越小,进入蜗壳扩散段的气泡直径越小,这是减小隔舌间隙自吸时间缩短的微观机理。     

双蜗壳离心泵空化流动对隔舌处压力脉动特性的影响

应用数值计算方法分析了双蜗壳离心泵内空化流动影响隔舌部位压力脉动特性情况,以进一步明晰空化流动诱导泵振动噪声机理.采用SST k-ω湍流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型,对设计工况下的泵内空化流动和无空化流动进行了非定常数值模拟,数值模拟结果表明:SST k-ω湍流模型能准确预测双蜗壳离心泵的能量特性指标;泵内空化的空泡初始产生于叶轮叶片进口吸力面根部,随着装置空化余量的降低,空泡云沿着叶轮叶片吸力面向叶片出口和前盖板方向发展,叶轮内部空泡的发展并不均匀,加剧了叶轮内部流动的不稳定性.对比叶轮旋转一周在空化和无空化流动状态下发现,2个隔舌处各个监测点的压力脉动具有明显周期性,在无空化状态下,隔板进口处监测点的压力脉动主频为2倍叶频,其他监测点压力脉动主频均为叶频;空化状态下2个隔舌处各个监测点的压力脉动主频均为叶频,压力脉动幅值明显增大.     

2种隔舌模型对离心泵性能模拟的影响

为了提高离心泵性能预测的精确度,降低水泵研发成本,对2种影响泵性能较大的隔舌模型进行了对比研究.通过Ansys ICEM CFD软件对离心泵3个结构部分进口、叶轮、蜗壳进行网格划分,利用商业软件 CFX 进行数值模拟.进口边界设定为均匀来流,出口边界设定为压力出口,进口段与叶轮壁面粗糙度0.02 mm,蜗壳壁面粗糙度0.05 mm,采用k-ε湍流模型并计算机械损失11%,容积损失4%,将模拟结果与试验数据进行对比发现:在各流量工况下,圆角隔舌模拟结果与试验数据误差较小且保持稳定;矩形隔舌模拟结果在小流量工况下接近试验数据,在大流量下则误差较大.通过压力分布和流线图发现随着流量的增大,圆角隔舌的高压区和流线分布都较为稳定,矩形隔舌在额定流量和大流量下高压区扩散,并且有旋涡产生,旋涡随流量增大而增强,影响了蜗壳内部流动,使得模拟误差变大.研究对比了2种隔舌模型外特性的差异,并通过流场分析找到了产生差异的原因,表明对隔舌进行圆角处理能明显地改善内部流场,从而提高泵的性能.     

双吸双蜗壳离心泵隔舌处的压力脉动特性

为了研究双吸泵双蜗壳隔舌区的压力脉动特性,采用CFD方法对某一型号双吸双蜗壳离心泵进行不同工况下全流场非定常数值模拟,得到了泵内部流动特性及隔舌区监测点的压力脉动情况,并对其进行压力脉动强度分析和时域、频域分析.计算结果表明:压力脉动强度大的区域主要分布在叶轮出口与隔舌的交界面处,说明叶轮与隔舌的动静干涉作用将引起隔舌处较大的压力脉动;2个隔舌在额定流量下的脉动强度均小于偏离额定工况下的脉动强度,且随着流量的增大,隔舌A处压力脉动强度的分布逐渐变得对称;在额定工况下,2个隔舌区的压力脉动周期性明显,在隔舌A处中间平面上压力脉动频率以2倍轴频为主,两侧以1倍叶频为主;隔舌B处中间平面与其中一侧的压力脉动频率以2倍叶频为主,另一侧则以1倍叶频为主;在1.0Qd和1.2Qd工况下,隔舌A的中间平面上P0的压力脉动频率均以2倍叶频为主,小流量下则以1倍叶频为主,但其幅值变化并不明显,而隔舌B处中间平面上的压力脉动幅值受流量变化影响较大,0.8Qd倍和1.2Qd工况下压力脉动幅值明显增大.     

双吸离心泵吸水室隔舌位置对空化性能影响分析

双吸离心泵吸水室隔舌位置的不同,影响了叶轮进口的速度及压力分布,对泵空化性能具有重要影响。以一台单级双吸离心泵为研究对象,采用数值模拟的方法研究分析隔舌位置分别位于与水平方向呈45°（原模型）,90°,135°及-45°四种吸水室内部流动变化对空化性能的影响。结果表明：采用隔舌位于90°和135°的吸水室,吸水室出口附近低压区明显增大,出口与转速方向相反的圆周分速度范围逐渐增大,在叶轮进口水力损失逐渐增大,临界空化数逐渐上升,泵空化性能降低。采用隔舌位于-45°的吸水室,吸水室出口附近低压区明显减少,出口不再存在与转速方向相反的圆周分速度,在叶轮进口水力损失减小,小流量及额定工况下虽然临界空化数变化不大,但在空化各个阶段叶轮内空泡率及空化区域均有所降低,在大流量工况下临界空化数下降较为明显。综合比较之下隔舌-45°吸水室,具有较好的空化性能。为吸水室的设计提供一定参考。     

蜗壳基圆对离心泵性能的影响

通过联立蜗壳的两个不同形式特性方程,得出了基圆直径的计算公式,建立了基圆直径和蜗壳喉部面积及叶轮外径之间的关系。为了验证公式的准确性,在保证蜗壳其他主要几何参数不改变的前提下,取基圆直径分别为叶轮外径1.05,1.10,1.15,1.20倍的不同的蜗壳与同一叶轮匹配,数值模拟和试验分析了蜗壳基圆和泵性能的关系。结果表明:在一定范围内,随着基圆的增大,流量扬程曲线有明显的变化,符合公式给出的变化趋势,且较大基圆对流量扬程曲线的驼峰有显著的改善;但是超过一定范围后,由于蜗壳和叶轮之间间隙的二次流增加,致使泵性能明显下降。     

转速变化对离心泵性能的影响

泵转速会对泵性能产生影响,而泵的工作点却受泵特性和管路特性的共同影响,通过在开式和闭式试验管路中改变泵转速来分析其对泵性能的影响,并结合50-160型泵的试验数据和计算结果,着重分析了对功率的影响。变速泵在开式和闭式管路中的节能效果不同,引起这种差别的原因是开式系统受水的静压作用改变了泵的效率。分析了开式管路系统中变速泵的节能效果并给出了计算实例,以50-160型泵的计算结果来看,闭式系统的泵功率为开式系统的76.47%。     

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.     

螺旋形蜗壳型式对高比转数离心泵性能的影响

为了研究2种不同螺旋形蜗壳型式下高比转数离心泵的水力特性,以某一螺旋形单蜗壳为原型,设计了一台各截面面积相等、主要几何参数相同且带有对数螺旋形隔板的双蜗壳.选用SST k-ω湍流模型,应用ANSYS 14.5软件,对单、双蜗壳高比转数离心泵进行了不同工况的三维湍流数值计算,并利用原型泵的外特性试验,验证了数值计算方法的准确性.结果表明:在大流量工况下,双蜗壳泵具有更高的水力效率和扬程;额定工况及小流量工况下,隔板的存在影响不大.此外,双蜗壳内的压力脉动整体小于单蜗壳内的,尤其在靠近蜗壳出口处,双蜗壳内的监测点压力脉动幅值显著降低,这表明隔板能有效地抑制压力脉动;从扩散管段的截面流线图可以看出其流动比单蜗壳的更顺畅;不同工况下,双蜗壳匹配作用下的叶轮所受径向力均小于单蜗壳作用下的,尤其在大流量工况下,差值最大,说明隔板也能更好地平衡叶轮所受径向力.这对高比转数离心泵水力设计具有一定的参考价值.     

叶片出口安放角对单叶片泵性能的影响

为改善单叶片泵的性能,采用数值模拟与外特性试验相结合的方法分析了叶片出口安放角对泵性能的影响.基于SIMPLEC算法和RNG k-ε湍流模型,通过ANSYS CFX软件求解三维N-S方程,对叶片出口安放角分别为10°,14°,18°,22°和26°的单叶片泵内部流场进行了数值分析,得到了泵的速度场、压力场,并获得了泵外特性及所受径向力,数值计算所得扬程与试验结果具有较好的一致性.结果表明单叶片泵扬程、功率、效率均随叶片出口安放角增大而提高,但叶片出口安放角增大到18°以后,由于叶轮内流动滑移加剧,变化不再显著;不同叶片出口安放角单叶片泵内流场整体分布相似,但叶片压力面前端脱流区随叶片出口安放角的增加而增大,压力面的相对速度随叶片出口安放角的增加而减小,隔舌处的流动随叶片出口安放角的增加而变得顺畅;叶轮及蜗壳所受径向力随叶片出口安放角的增加而增大,叶轮所受径向力在设计点工况附近最小,而蜗壳所受径向力随流量增加而减小.     

叶片安放角对微型轴流式水轮机性能的影响

为探究叶片安放角对微型轴流式水轮机水力性能的影响,以一比转数为548的微型轴流式水轮机为研究对象,在不改变其他几何参数的前提下,仅偏置转轮叶片各翼型剖面,得到7个不同叶片安放角的转轮;在试验验证的基础上,通过全流场数值计算,分析了改变叶片安放角对微型轴流式水轮机水力性能的影响.结果表明：随着叶片安放角的减小,在相同流量下水轮机的水头与出力均增大,高效率区域向小流量区域偏移,水轮机可高效运转的范围有一定程度的增大;随着叶片安放角的增大,水轮机的水头与出力减小,高效率区域向大流量区域偏移.适当减小叶片安放角的水轮机能在较大水头(流量)变化范围内维持较好的性能.其中,安放角为-4°的水轮机最高效率达到82.13%,高效率区的范围最大.该研究可为微型轴流式水轮机转轮的设计提供一定参考.     

不同断面型式蜗壳对离心泵性能影响的数值模拟

基于SSTk-ω模型封闭的雷诺平均方程,应用ANSYSCFX11.0软件,在原离心泵马蹄形断面蜗壳的基础上重新设计了圆形断面和矩形断面两种蜗壳,并分别将3种不同断面的蜗壳与同一叶轮组合进行三维数值模拟.计算结果表明,不同型式断面的蜗壳对离心泵性能有一定的影响,矩形和圆形蜗壳在大流量工况区的效率比马蹄形蜗壳略有提高,在设计点,矩形蜗壳的效率比马蹄形的略低,但大流量工况却高;在小流量工况圆形蜗壳的扬程比马蹄形蜗壳的扬程低,而矩形蜗壳和马蹄形蜗壳相差不大,在设计点矩形蜗壳和马蹄形蜗壳略高于圆形蜗壳,在大流量工况马蹄形蜗壳的扬程有所降低.不同的断面型式对蜗壳的水力损失也有一定的影响,而且随着流量的变化损失也在变化.矩形蜗壳壁面上的压力脉动的幅值在设计流量工况较马蹄形蜗壳和圆形蜗壳要小一些.     

蜗壳面积变化规律对低比转数离心泵性能的影响

为研究不同蜗壳面积变化规律对离心泵性能的影响,以一台单级单吸离心泵为研究对象,在保证叶轮及其他几何参数不变的前提下,针对4种蜗壳断面面积变化规律(即上凸式、线性式、下凹式和S形),进行泵内非定常数值计算及分析.结果表明:蜗壳面积变化规律在设计工况下对离心泵水力性能的影响较小,上凸式、下凹式和S形蜗壳面积变化规律的泵扬程和效率与线性式之差分别在1.4%和0.4%以内,而在非设计工况下,差异较大;不同蜗壳断面内的速度分布差异较大,线性式、下凹式和S形的速度分布较上凸式更为均匀;在设计工况下,上凸式和S形面积变化规律的蜗壳能有效降低泵内的压力脉动水平,其中S形面积变化规律的蜗壳效果最佳,而下凹式则会使泵内的压力脉动幅值增大;蜗壳面积规律变化引起叶轮周围静压分布变化,致使叶轮所受径向力的大小改变,线性式面积规律的泵叶轮平均径向力最小,上凸式面积规律的泵叶轮所受平均径向力最大.研究成果可为低脉动水平离心泵的优化设计提供一定参考.     

蜗壳断面面积变化规律对双吸离心泵水力性能的影响

针对某泵站S700-500-730型双吸离心泵运行时引发的断轴问题,采用CFD数值模拟方法,通过与蜗壳断面面积线性变化规律(以下简称L-规律)进行对比,分析了原型泵采用的蜗壳断面面积变化规律(以下简称Y-规律)对水力性能以及径向力的影响.结果表明:在定常工况下,2种规律的双吸离心泵在设计工况下水力性能相近,相较于L-规律方案,采用Y-规律设计的蜗壳作用在叶轮上的径向力增大高达24.77%;在非设计工况下,相较于L-规律方案,采用Y-规律设计的蜗壳水力性能更加优越,但是作用在叶轮上的径向力要高于采用L-规律方案时作用在叶轮上的径向力;在非定常工况下,Y-规律方案的脉动幅值以及高频脉动都要比采用L-规律方案设计时明显得多.蜗壳断面面积变化规律对作用在叶轮上的径向力影响显著.研究结果可为解决由于径向力过大导致断轴问题提供一定的理论依据.     

叶片安放角变化规律对液力透平性能的影响

基于ANSYS Bladegen软件,针对不同叶片安放角变化规律分别设计3种前弯叶片液力透平专用叶轮。通过与试验结果对比,确定了合理的数值模拟方案,分别完成了3台透平全流场数值计算。分析了叶片安放角变化规律对透平外特性、压力分布和水力损失分布的影响。结果表明:最优工况时,3个叶轮的效率、压力分布和水力损失分布均相差不大。在非最优工况,安放角采用线性变化规律设计时,透平性能更好,效率曲线更平坦;叶轮出口处低压区域范围较其他2种方案大。水力损失分布显示在叶片进出口安放角及包角相同的情况下,安放角变化规律对蜗壳及尾水管内的流动影响不大,仅对叶轮内的流动产生较明显的影响,叶片安放角呈S形变化对透平性能的影响是负面的,线性分布规律相对较好。