水泵水轮机转轮三维反问题设计与特性研究

采用全三维反问题设计方法,按照水泵工况确定设计参数,从水轮机方向进行流场计算,完成某一中高水头水泵水轮机转轮的水力设计。针对设计开发的转轮,通过模型实验测试其在不同运行工况下的性能。结果表明,设计的水泵水轮机转轮在水泵工况下的最高机组效率达到91.34%,且机组运行平稳;水轮机工况的最高机组效率为88.5%。基于全流道粘性数值计算的转轮内部流动分析表明,水泵工况下,水流光顺地通过流道,转轮内部流动损失较小;水轮机工况下,转轮进口附近存在较严重冲击损失且叶片背面低压区面积较大,影响转轮的作功能力。     

水泵水轮机流场脉动与熵产率的关系

为了研究水泵水轮机不同工况下的运行稳定性,采用FLUENT软件对模型水泵水轮机转轮和无叶区的流态、熵产率分布、压力脉动进行了数值模拟,并将数值模拟结果与试验进行了对比.结果表明：数值计算的压力脉动数据与试验值吻合较好,旋涡引起的速度梯度和压力梯度剧烈变化是水泵水轮机内部高能量损失的根本原因.相较于设计工况,小流量工况时转轮叶片吸力面水流的流动分离和旋转失速会导致此处熵产率较高,叶片吸力面压力脉动主频和第2主频幅值最大;大流量工况时动静干涉作用占主导,无叶区的熵产率最大,相应的无叶区压力脉动主频幅值也最大.由此可见,各工况下主流区熵产率和压力脉动具有强相关性,熵产率大的区域,压力脉动也较大.     

中比转数离心泵多工况设计

为了实现TS65-40-125型中比转数离心泵在实际运行中的水力性能需同时满足多个工况点的要求,借鉴在低比转数离心泵多工况设计中广泛应用的加大流量设计法,对其叶轮进行3次改进.采用Ansys Workbench 12对整个计算域进行结构化网格划分,并对网格无关性进行了分析,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,采用SST k-ω模型,分析了不同设计方案下叶轮内的压力、湍动能、速度分布,并对泵的外特性进行了预测,最后选取一个最优方案进行试验.结果表明：采用加大流量设计法,恰当的选取叶轮几何参数,可以有效地增加中比转数离心泵的扬程、提高水泵效率,拓宽水泵高效区.TS65-40-125型中比转数离心泵叶轮采用加大流量设计法改型后,设计点水泵扬程比原型对应工况点最多提高了5 m,在5个工况点效率基本满足国家标准要求.研究结果可为中比转数离心泵的多工况设计提供一定的参考.     

导叶开度对水泵水轮机调相运行水环流动的影响

水泵水轮机运行在泵工况压水启动过程或压水调相工况时,需要在转轮腔体内注入空气以降低转轮的启动功率.为了避免转轮室内的压缩空气泄漏到蜗壳,需要在无叶区内形成一定厚度的水环进行密封,以减少压水时的用气量.为了研究导叶开度对水泵水轮机水环内部流动特性的影响规律,利用ANSYS CFX软件对3种不同导叶开度(全关闭、1%最优导叶开度、2%最优导叶开度)的水泵水轮机模型进行非定常两相流动数值计算分析.研究结果表明：水环的厚度随导叶的关闭而增大,从而增大了转轮的阻力,加大了轴功率的消耗;无叶区内的压力脉动特征频率为叶频及其倍频,呈现出明显的动静干涉现象.研究结果可为水泵水轮机在泵工况压水启动过程或压水调相工况下的水环控制提供一定的依据.     

带分流叶片水泵水轮机小开度下非定常分析

为了研究带分流叶片水泵水轮机在小开度运行下各工况的内流特点及受力特点,以国内某带分流叶片水泵水轮机抽水蓄能电站的水力模型为分析对象,运用CFD数值模拟方法,采用SST k-ω计算模型,对其7.5°开度下的水轮机工况、制动工况和反水泵工况的内流特性进行了非定常数值模拟计算,分析了各工况下机组内部典型监测点的压力脉动特性及轴向力分布规律.结果表明:CFD数值计算能较好地模拟分析带分流叶片水泵水轮机的内流特性;在制动工况和反水泵工况下,转轮流道内出现明显的不稳定流动,二次流和涡结构充满整个转轮,进而引起水流拥堵,分流叶片可以使转轮的出水速度更加均匀;机组甩负荷运行进入制动工况后,转轮所受轴向力明显变大,并伴有负值出现,波动幅度也较大;分流叶片的存在可以预防转轮区出现负压,有助于降低涡结构的强度.     

斜流式水泵水轮机蜗壳逆向优化及导叶改型设计

斜流式水泵水轮机的应用越来越广泛,过流部件内部的水流流动状态是影响水泵水轮机效率的重要因素之一。为设计性能优越的水泵水轮机,利用CAD-CFD的现代设计技术,依据水流流动的基本理论,采用水流轴对称流入转轮的设计方法,并结合逆向流动思维对蜗壳加以优化设计;根据流线形设计,对固定导叶进行改型设计。数值模拟结果表明:优化后的蜗壳过流断面面积有所增大,鼻端区域更符合流线型;改型后的固定导叶具有更好的对称性,且速度能够轴对称等速流出。优化改型后的过流部件能有效地减少内部干涉现象,减小了机组的振动。     

水泵水轮机泵工况的压力脉动特性

为研究水泵水轮机在水泵工况时不同操作条件下的水力不稳定性,应用计算流体动力学软件Fluent分别对水泵水轮机三维全流道的设计工况、大流量工况和小流量工况进行非定常计算,同时监测了蜗壳进口、转轮与活动导叶之间、转轮与顶盖之间以及尾水管处的压力脉动.结果表明:水泵水轮机在水泵工况下压力脉动幅值最大的位置位于转轮与活动导叶之间的无叶区,转轮与顶盖之间的压力脉动次之,而蜗壳和尾水管处的压力脉动则比较小;在设计工况下压力脉动幅值最小,并且越偏离最优工况压力脉动的幅值越大;位置不同,影响水力稳定性的主频也不相同,转轮与活动导叶之间压力脉动的主频为叶片通过频率,转轮与顶盖之间的压力脉动的主频为转频的倍数,尾水管处压力脉动同时受叶片通过频率和低频的影响,而蜗壳进口处的压力脉动则主要受低频影响.     

离心泵输送不同粘度流体的数值分析

基于FLUENT数值模拟软件,利用有限体积法对雷诺时均Navier-Stokes方程进行离散,选用标准k-ε湍流模型,压力和速度耦合采用SIMPLEC算法,对3种不同粘度流体在5种不同工况下分别进行数值计算,由数值计算结果分析得出离心泵内部三维流场随流体介质粘度的变化而变化的规律.同时,将3种情况下的预测扬程和效率进行对比分析,得出不同粘度流体对离心泵外特性的影响情况.相同流量下,随粘度增大,扬程降低.在设计工况点附近,效率随粘度变化相差不大,但在远离设计工况点时,随粘度变化的效率差别比较大.由模拟结果可知：采用不同粘度的介质时,离心泵内部压力和速度分布与采用清水介质得到的规律是基本一致的.     

带MGV装置水泵水轮机无叶区压力脉动特性

为研究带非同步导叶(MGV)装置的水泵水轮机无叶区的压力脉动特性,以某抽水蓄能电站模型水泵水轮机为研究对象,基于分离涡湍流模型,针对水泵水轮机在低负荷工况下预开导叶对无叶区流动的影响,选取预开导叶分别为24,33 mm下的水轮机工况为研究对象, 并设计4种非同步导叶布置方案,通过全三维流道数值模拟分析得到机组在低负荷启动时振动的最优方案.结果表明:在预开导叶相对应位置的无叶区处,具有较大的压力脉动幅值;集中分布预开导叶对转轮振动的改善效果优于等间隔分布预开导叶方案;最终选择预开7#,8#和17#,18#这2对活动导叶组情况下对水泵水轮机机组振动的改善效果最为明显.     

基于弱可压缩计算的水泵水轮机超出力分析

为防止超出力工况下转轮内流体流速过高,出现脱流现象,进而导致无叶区压力脉动的升高,研究了水泵水轮机在超出力工况下运行时的水力稳定性.基于非定常、不可压缩流体,建立了三维水泵水轮机水力模型,采用SST k-ω模型对在110%额定功率下运行的模型机组进行数值模拟,预测超出力工况下的水泵水轮机内流场以及压力脉动,对导叶流域的压力脉动演化规律进行分析,并将其与试验结果进行对比.结果表明:在超出力工况下运行时,导叶附近流域压力脉动幅值沿流动方向逐渐增大;在固定导叶与活动导叶之间,压力脉动的主频大小由叶片通过频率的2倍变为1倍;2倍叶片通过频率分量幅值与混频幅值之比在活动导叶流域明显降低.超出力工况下,转轮叶片压力面出现脱流,并且在尾水管中存在1个粗大的涡带,导致机组性能降低.     

水泵水轮机水轮机制动区的流动特性

为研究水泵水轮机水轮机制动区的不稳定流动特性,根据某抽水蓄能电站建立水力模型,应用计算流体动力学软件Fluent模拟其流动特征．采用SST k-ω模型和SIMPLEC算法计算水轮机制动工况的内流场和外特性,并结合试验数据进行对比验证．结果表明,水泵水轮机在水轮机制动工况随流量的变化水头变化不大,在力矩为0时的水头最低;导叶开度越大,进入制动区时所需的转速越高,且流量越大,可以通过调节导叶开度防止水泵水轮机进入制动区;导叶工作开度下力矩为0时的流场不存在涡结构,随着流量的减小,在叶片和活动导叶的进口以及固定导叶和活动导叶之间出现大量的回流涡,并且呈现出类周期性分布特征;转轮中的回流涡是由于前倾式叶片的倾角较大产生的,导叶中的回流涡是由于流体流动方向与导叶叶片的冲角引起的．以上结论可为水泵水轮机的优化设计提供一定的理论基础．     

基于反转双吸泵的液力透平全特性的数值预测

为了研究一种带导叶的双吸泵反转作为液力透平使用时的性能,采用SST k-ω湍流模型,对该双吸泵的性能进行了预测,并对其反转作为液力透平的性能进行研究,对水泵制动工况以及反水泵工况进行预测．通过液力透平全特征曲线分析,该双吸泵额定工况点效率为893％,反转为液力透平时,额定工况点效率可达905％,且当工作水头大于200 m时,该液力透平具有较宽的工作范围;机组双向运行稳定性均较好,双吸泵不存在驼峰现象,液力透平运行特性曲线中存在明显的“S”特性,运行过程中应尽量避免运行在该“S”区域．通过内流场分析,额定工况下双吸泵和液力透平转轮内部流线规则,无回流和脱流现象;但双吸管与叶轮之间流道狭窄,存在强旋流现象;机组运行在反水泵工况时,转轮内的回流将导致产生失速涡;机组运行在水泵制动区时,转轮内将产生失速．液力透平运行时必须考虑运行工况下的空化现象,避免空化的产生．     

双吸泵正反转内部流场数值模拟及性能预测

为了研究双吸离心泵在正转和反转时不同的流动特性,基于CFX软件采用标准k-ε模型对双吸离心泵内部流场进行了数值模拟和性能预测.计算了双吸泵在正转和反转时各自最佳工况点的水力性能,并对比了双吸泵最佳工况点在正转和反转时流场特性的差异.最后将性能预测的计算值与试验值进行对比分析,表明该计算方法能够较准确地预测泵的性能.在双吸泵反转用作液力透平时,发现泵在反转工况下的高效区向大流量偏移,效率在大小流量区的变化差别很大,流量太小将使得泵的转矩方向发生改变,导致流体不再对叶轮做功,并且泵反转的最大损失发生在蜗壳到叶轮的过渡区,即叶片的出口处.通过内部流场的分析,得到了详细的压力和速度矢量分布规律,对进一步研究泵反转作液力透平进行水力设计提供了一定依据.     

某艇喷水推进泵优化设计

针对某艇未达到预期航速的问题,采用三元反问题设计与正问题预报相结合的方法对喷泵进行改型设计.建立“喷泵+进水流道+艇体”的CFD计算模型,分析得到当前轴流喷泵存在效率偏低、设计点不匹配、流道流动损失大等问题.基于快速性要求、主机特性和设计水平,对喷泵进行设计参数选型.同时,基于一种叶片三元反设计方法,在多方案对比分析基础上,合理设置轴面形状、叶片数、叶片载荷、叶片积叠和加厚等控制参数,设计得到新型混流喷泵.数值计算结果表明,新喷泵在设计工况下水力效率可达90.0%,高效区流量范围宽,抗空化能力强,“艇-机-泵”匹配良好.喷泵装艇试航结果表明,该艇航速提高了约13%,达到了预期快速性设计要求,验证了喷泵三元反设计方法的准确性.     

叶片高压边安放角对高水头水泵水轮机性能的影响

基于低比转数混流式转轮设计程序,在保证转轮其他参数一致的条件下,分别设计了3个具有不同高压边安放角的叶片,并采用CFD技术对3个转轮分别进行了5个水轮机工况和5个水泵工况的全流道数值模拟,分析了叶片高压边安放角对水泵水轮机能量特性、水轮机工况转轮的来流和水泵工况转轮与活动导叶的动静干涉现象的影响.研究表明,水轮机工况下,数值计算的叶片冲角绝对值大于给定冲角的绝对值,叶片的负冲角越大,导致转轮进口撞击越剧烈,引起水轮机工况水力效率略有下降,但是对转轮内流态扰动很小.水泵工况下,叶片高压边安放角越大,与其相匹配的活动导叶转角越小;由于安放角2叶片与14°转角的活动导叶和固定导叶三者相匹配,其水力效率相对最高;而其他3种高压边安放角叶片由于不匹配,内部流场出现了撞击、脱流和回流等不稳定现象,引起水泵工况水力效率的严重下降.     

高性能紧凑型水泵的三元设计方法

基于泵的三元设计理论与数值试验相结合的方法,采用轴流式水泵的外形结构对某高比转数混流泵进行了设计,提出了高性能紧凑型水泵设计方法。首先,基于雷诺时均方法对该高比转数混流泵的性能进行了数值计算和分析,并将计算结果和试验值进行了比较,最大误差在3%以内,验证了数值计算模型的准确性。其次,采用轴流式水泵的外形结构基于泵的三元设计理论对该泵进行了重新设计,运用全三维考虑流体粘性的雷诺时均方法对设计结果进行计算分析与验证,最终的设计结果表明：新设计紧凑型水泵满足所有设计指标,在设计流量下裸泵效率达到了0.927,并且在较宽的流量范围内具有良好的水力性能。对比原混流泵和新设计紧凑型水泵性能,可以发现：新设计紧凑型水泵裸泵效率比原混流泵提高了3%,并且其轴面最大直径比原混流泵减少了38%,说明新设计的水泵能够有效减小泵的尺寸、重量并具有优异的水力性能。     

基于三元设计及数值试验轴流泵抗空化性能

为了提高轴流泵抗空化性能,采用泵的三元设计理论与数值试验相结合的方法,研究了汽蚀比转数为1 290的轴流泵抗空化性能.在相同的流量、扬程、转速等设计指标下,采用泵的三元设计理论对具有不同叶片数和过流通道形状的轴流泵模型分别进行了设计;并采用数值试验手段对所设计轴流泵模型性能进行计算和分析,得到了适合于该轴流泵的过流通道形状和最佳叶片数.运用相同的方法对不同叶片负载分布规律的轴流泵叶轮分别进行了设计,并采用数值试验手段计算了各水力模型的扬程、功率和效率特性曲线,对比和分析了不同负载分布规律对泵效率和抗空化性能的影响,得到了有利于轴流泵空化性能提高的负载分布规律.最后,根据数值计算结果,对如何有效提高轴流泵抗空化性能提出了建议:叶轮叶片后部重载光顺无阻塞的过流通道、适当增加叶片数将有利于轴流泵抗空化性能的提高.     

载荷分布规律对混流泵叶轮设计的影响

基于三元反设计理论,将环量vur沿轴面流线的变化梯度作为载荷分布的控制参数,采用两段抛物线来描述载荷沿轴面流线的分布规律．为了分析载荷分布规律对混流泵叶轮设计结果的影响,建立了“前载型”、“中载型”和“后载型”3种混流泵叶轮．基于雷诺时均的Navier-Stokes方程、SST湍流模型和多参考坐标系模型对3种叶轮内流场进行数值模拟,对叶轮的能量性能和叶片表面压力分布进行分析．结果表明:采用两段抛物线表示载荷沿轴面流线的分布规律是合理的,基于载荷分布的叶片三元反设计能有效控制叶片表面的压力分布特性;载荷峰值点越靠近导边,叶轮的扬程、功率和效率值越高;在设计流量工况,前载型叶轮与后载型叶轮的扬程、功率和效率的差别分别为1830％,1640％和201％;不同载荷分布时叶轮能量性能的差别随流量的增加而逐渐明显．