平衡鼓间隙对首级叶轮前泵腔压力及多级泵轴向力的影响

平衡鼓的轴向力平衡能力是多级离心泵发生故障并影响其寿命的关键因素。该文采用数值模拟方法,在多级泵的外特性、平衡管内压力和泄漏量的数值计算结果与试验结果基本一致的基础上,研究了平衡鼓间隙泄漏量变化对首级叶轮前泵腔的压力分布、首级叶轮及整个叶轮轴向力的影响。研究结果表明:首级叶轮前泵腔中的漩涡区是腔体内压力变化的主要原因。当平衡鼓间隙由0增大到0.5 mm时,首级叶轮的轴向力在间隙为0时最大,在间隙为0.3 mm时最小,其最小值为最大值的20.6%;整个叶轮所受轴向力随着平衡鼓间隙增大呈先减小后增大的趋势。无量纲化的平衡鼓间隙面积大于6.6×10-3时,由于平衡鼓前后压差较小,已无法有效平衡轴向力,在此范围轴承发生断轴的风险较大。该研究可为多级泵平衡鼓设计提供参考。     

离心泵浮动叶轮轴向间隙的液体流动分析及轴向力计算

为了研究浮动叶轮轴向间隙变化对其液体泄漏量及压力、液体作用在不锈钢盘上轴向力的影响规律,将径向和轴向的间隙液体流动分别简化为平行平板间粘性层流运动和轴对称二维粘性层流运动,基于液体通过径向和轴向的间隙泄漏量相等,推导出了计算轴向间隙的液体泄漏量及压力、液体作用在不锈钢盘上轴向力的数学表达式。并通过设计实例计算,绘制出了轴向间隙的液体泄漏量和液体作用在不锈钢盘上轴向力与轴向间隙变化的关系曲线,从控制一定泄漏量并减少轴向力的角度出发,分析得出轴向间隙取0.4～0.8mm较为适宜。并在平衡腔内不安装不锈钢盘和石墨盘条件下,计算出了平衡腔内液体作用在叶轮上轴向力。通过比较分析,浮动叶轮有明显减少轴向力的效果。     

屏蔽泵轴向力平衡新方法

屏蔽泵的轴向力平衡成为影响屏蔽泵使用寿命和效率的关键因素。由于传统平衡方法难以完全解决屏蔽泵轴向力平衡问题,因此,采用新的轴向力平衡结构及方法显得十分必要。该文通过对屏蔽泵轴向力的特点分析与计算,采用校核计算的方法设计一个副叶轮,由副叶轮带动冷却液在冷却回路中循环流动,并产生一个与主叶轮产生的轴向力及转子重力等合力大小相等,方向相反的轴向力,从而消除轴向力。通过轴向力平衡计算和试验测量,屏蔽泵残余轴向力较小,满足规定要求,计算结果与试验测量结果基本一致。应用实例表明,屏蔽泵轴向力平衡新方法可靠,计算过程正确,能基本消除残余的轴向力,使轴承的负荷减小,延长轴承使用寿命,实现了屏蔽泵的安全可靠运行,具有一定的工程应用价值。     

不同叶顶间隙对斜流泵性能影响的数值分析

斜流泵具有高效,启动特性好,运行工况宽等特点。目前斜流泵设计时,无法定量评估叶顶间隙对性能影响的敏感性。为了揭示不同叶顶间隙值对斜流泵内部流场和性能的影响,给定叶顶间隙选取的范围。分别选取无叶顶间隙和叶顶间隙分别为0.5,1.0,1.5 mm共4种设计方案的斜流泵为对象,基于剪切压力传输模型(shear stress transport,SST k-ω)湍流模型,SIMPLEC算法与块结构化网格,对斜流泵内部流场进行数值模拟和试验验证。结果表明,叶顶间隙为0.5 mm时,可以有效抑制斜流泵的扬程-流量正斜率特性,此时斜流泵的效率值最高;无叶顶间隙时,斜流泵扬程-流量正斜率特性较为明显;叶顶间隙为1 mm时,数值模拟与试验结果吻合较好,SST k-ω模型可较好模拟斜流泵叶顶间隙区流动特征,性能预估结果具有一定的可信度。在小流量工况下,叶顶间隙为0.5 mm可有效抑制斜流泵的正斜率不稳定特性。小叶顶间隙0.5mm时,斜流泵水力性能最优;叶顶间隙增大时,叶顶泄漏流动逐渐显著,叶轮出口近壁区轴面流速和涡量分布规律显著变化,表明叶顶间隙直接影响叶轮轴面速度分布规律和叶片负荷分布规律,由于受壁面摩擦阻力和液体黏滞阻力的影响,叶轮轮毂和叶顶间隙侧的叶轮轴面速度较小;叶顶间隙增大时,叶轮轮毂和叶顶间隙侧叶片负荷急剧衰减,影响叶片的做功能力。同时,叶顶泄漏流动区域与叶片主流区域的掺混效应,使叶片轮缘的低速区扩展到叶轮流道内部的主流区域,引起叶轮流道内部主流流动的堵塞效应,产生二次流动、漩涡等流动不稳定现象。上述研究结果,揭示了叶顶间隙对斜流泵内部流场和性能的影响机理,为斜流泵叶顶间隙的选择提供了理论依据。     

多级离心泵轴向力平衡装置的设计与分析

可靠的轴向力平衡装置是高压多级离心泵实现平稳可靠运行的重要机构。针对反渗透海水淡化高压泵对结构和运行可靠性的特殊要求,设计了一种用于节段式多级离心泵的新型轴向力平衡装置。基于计算流体力学（CFD）方法研究了平衡装置内部的流场结构及其轴向力平衡机理,分析了不同轴向间隙、径向间隙以及滑动轴承长径比条件下的轴向力平衡特性。结果表明,不同进出口压差条件下,滑动轴承间隙内流动结构存在明显区别,轴承支撑机理发生变化;平衡力和相对泄漏量随轴向、径向间隙的增大呈非线性增大,平衡力随长径比增大近似呈线性增大,相对泄漏量随长径比增大近似呈线性减小。对径向、轴向间隙和长径比进行各种组合分析计算,得到轴向间隙0.2 mm、径向间隙0.3 mm、长径比为1的结构优化的新型机构,该机构既可以很好地平衡轴向力,又提高了多级泵的可靠性。     

多级离心泵轴向力的数值计算与试验研究

轴向力的大小及平衡问题是影响离心泵可靠性、安全性以及效率的重要因素。由于不同的经验公式计算出来的轴向力大小相差很大,因此,找到一个离心泵轴向力精确计算的方法十分必要。该文通过对离心泵轴向力的理论分析,基于Fluent商用软件,采用标准k-ε湍流模型、SIMPLE算法对多级离心泵的内流场进行数值计算,分析离心泵内部流场的静压分布规律,并通过静压积分求得轴向力大小。对模型泵进行压力分布试验,获得14组流场的压力值及流量-压力、扬程-压力曲线,从而推导计算出轴向力大小。比较数值模拟与试验结果,压力值在小流量工况下相差较大,在设计工况下接近叶轮出口处模拟压力值与试验值基本吻合;轴向力的计算结果大体一致,最大误差仅为4.6%,在允许误差范围内。研究结论为离心泵的可靠性设计提供了新的思路和方法。     

侧流道泵叶轮轴径向间隙内流动特性数值模拟与验证

为了研究侧流道泵叶轮周围间隙质量流量交换规律,该文利用数值计算方法研究了侧流道泵在最高效率工况点下叶轮间隙处的流动规律,具体分析了其脉动扬程、交换质量流量、间隙处压力脉动情况、轴向速度变化等。结果表明,每旋转一个叶轮流道（18°）,扬程出现一次完整的波动周期,每个周期内扬程最大值与最小值相差0.07 m左右;间隙外缘监测点的瞬时压力值明显大于其他4个监测点,顶部监测点压力值最大,在整个周期内的平均压力值大约是最小压力监测点的2.8倍;右侧间隙靠近外缘处的流体交换最激烈,该处速度绝对值最大;流体主要是在右侧间隙外缘大约0.8～1倍间隙半径处向侧流道流入,在0.53～0.8倍间隙半径处从侧流道流出至叶轮中;净交换流曲线近似呈三角函数图像变化,交替出现减小增大反复趋势,并且净交换流的波动导致侧流道泵扬程曲线的波动。该研究可为进一步提高侧流道泵的水力性能提供理论依据。     

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。     

叶片进口安放角对泵作透平外特性影响的数值模拟与验证

为充分探究离心泵作透平专用叶轮叶片进口安放角的确定方法,该文建立了液力透平专用叶轮叶片进口安放角与设计流量的关系表达式;基于ANSYS Blade Gen与NX软件,分别设计了4个不同叶片进口安放角的透平专用叶轮;在试验验证基础上,通过全流场数值计算,分析了叶片进口安放角对透平外性能的影响。结果表明:叶片进口安放角从60°增大到72°、90°和105°时,透平高效点对应的流量分别为85、90、100和110 m3/h,4台透平数值计算最高效率点流量与理论计算设计流量基本吻合,表明采用该文推导的设计流量与进口安放角的关系式合理。外特性性能曲线显示随叶片进口安放角增大,透平高效点向大流量偏移,最高效率值有所下降,且下降的速率增大。综合考虑透平最高效率及高效区范围,对于比转速为193蜗壳式单级单吸离心泵反转作透平,叶片进口安放角宜设计在60°与90°之间。该研究可为液力透平专用叶轮设计提供参考。     

不同口环间隙离心泵性能及水力激励特性分析及试验

为进一步研究改变口环间隙所产生的影响,该文通过改变口环间隙大小,采用数值计算与试验相结合的方法,研究了离心泵内叶轮所受径向力以及压力脉动的变化。分别采用0.25、0.5以及0.75 mm的口环间隙,进行数值计算和试验。通过对叶轮外表面的压力场求解和分析,得到不同口环间隙对叶轮所受径向力的影响,通过试验测得的各监测点的压力脉动数据进行分析。结果表明:模拟所得扬程与试验结果较为吻合。叶频所对应的压力脉动幅值在前腔进口处,口环间隙为0.5 mm的方案约为0.25 mm方案的3.1倍,在叶轮出口处约为1.3倍;口环一周的平均压力脉动在0.75 mm时最小,此时约为0.5 mm方案的0.81倍;叶轮进口及其上游的压力脉动以0.75 mm方案最小,约为其他2个方案的0.67倍,说明口环间隙为0.5 mm时离心泵前腔及进口处的压力脉动最大。叶轮所受径向力随着口环间隙的改变呈现非线性变化,小流量及设计工况时0.75 mm方案的径向力最小,设计工况时0.25 mm方案的径向力最小。通过研究不同口环间隙所诱导的压力脉动及径向力的变化,对离心泵的传统设计进行了一定的补充,并且对口环的设计提供了参考。     

离心泵平衡孔液体泄漏量试验与分析

针对离心泵上叶轮平衡孔的实际液体泄漏量难以测量的问题,设计了通过调节平衡腔液体压力来测量平衡孔液体泄漏量的试验装置,在平衡孔直径4、6、8、11 mm条件下对泵性能、平衡孔液体泄漏量和平衡腔液体压力进行了测试及分析,获得了不同直径平衡孔下泵的性能曲线、平衡孔泄漏量系数和轴向力系数与比面积的关系曲线。试验结果表明:加大叶轮平衡孔直径会使泵的扬程降低、输入功率增大和效率降低;平衡孔液体泄漏量系数与比面积关系曲线有明显的规律性,其随着比面积增大而减小,且扬程系数对其有较大的影响;轴向力系数曲线是非线性曲线,在比面积小于2.5时,轴向力系数随比面积增大而急剧减小;比面积大于等于2.5小于等于4.5时,轴向力系数曲线趋于平坦,其均值为0.112;比面积大于4.5时,轴向力系数曲线几乎与横坐标平行,其均值为0.067。该研究为较精确计算平衡孔液体泄漏量与平衡腔区域的轴向力提供了参考。     

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。     

进口管壁面轴向开槽消除轴流泵特性曲线驼峰

当轴流泵在小流量工况下运行时,由于叶轮进口的冲角增大,导致在叶轮内产生脱流等不稳定流动结构,降低泵的水力性能。该文采用计算流体动力学分析方法对轴流泵内部流场进行了研究,结果表明:该轴流泵的特性曲线存在明显的驼峰区域,在0.3到0.61倍最优流量工况区间,轴流泵的扬程和效率明显下降。在临界失速工况下(0.61倍最优流量工况),叶片吸力面前缘靠近轮缘处及叶片尾缘靠近轮毂处均出现了脱流;在深度失速工况下(0.45倍最优流量工况),脱流进一步发展,并与来流共同作用形成稳定的涡旋结构,阻塞整个流道。为了提高轴流泵在小流量工况下的水力性能,引入一种轴流泵进口管开槽技术,分析其对轴流泵内部流场的影响及驼峰的改善作用。结果表明:在小流量工况下,轴向开槽可以减小叶轮进口环量和冲角,可以减小叶片背部的脱流,轴流泵的驼峰得到明显的改善。开槽深度是改善轴流泵小流量工况下驼峰的重要因素之一,当槽深与叶轮直径比为0.02时,叶轮内的通道涡几乎完全消除,轴流泵深度失速工况点的扬程、效率分别提高了66%和32%,极大地改善了轴流泵的水力性能。沟槽数目越多,槽长越长,消除驼峰的能力越好,60个沟槽与2/3倍叶轮直径的槽长在其他参数相同的条件下消除驼峰的能力更强。该文可为避免轴流泵内部的失速流动以及消除水力性能曲线上的驼峰相关研究提供参考。     

离心泵气液固多相流动数值模拟与试验

为研究离心泵输送含有气固液多相时内部的流动情况,采用Pro/E三维造型软件进行几何造型,基于ANSYSCFX软件应用雷诺时均方程、双方程湍流模型,并结合SIMPLEC算法对其内部三维气固液多相流各相流动规律进行数值计算,将计算结果与试验结果进行对比结果表明:受气相所产生旋涡的影响,固相体积分数在径向量纲位置r/R2为0.4时达到最大值后直线急剧下降,下降至一定值后开始波动变化,而气相体积分数在径向量纲位置r/R2为0.4时较小,从径向量纲位置r/R2为0.4以后急剧增大。气、固两相互相影响对方颗粒的分布。气相主要集中在叶片工作面的中间位置,气相的存在使叶轮流道内产生旋涡,影响叶轮流道内的能量交换与传递;固相在没有旋涡的流道内是紧靠叶片表面运动的,在有旋涡流道内主要是随着旋涡旋转方向进行流动,固相所占比值的增加对流动轨迹的影响并不明显。对气液固多相流的深入研究和应用提供了有价值的参考。