冷却塔中新型混流式水轮机设计

通过数值模拟和试验两种方法,开发出一种新型高比转速混流式水轮机,配备相应变比的减速器,代替冷却塔中的风扇电动机,以达到节能的目的.根据冷却塔水轮机工作环境的特点,为尽量减小水轮机尺寸,在结构设计方面提出了金属梯形蜗壳和单列环形导叶.通过数值模拟,分析了不同的导叶形式、转速、叶片安放角对水轮机性能的影响.通过对比,选取负曲度导叶形式,选择最优单位转速及叶片安放角,确定最优性能的水轮机数模方案.通过物模试验证明所开发的高比转速混流式节能水轮机尺寸能够满足冷却塔要求,其效率高,性能稳定,可以在有条件的地方推广应用.     

超低比转数离心泵叶轮切割的三维流场数值模拟

为研究超低比转数离心泵叶轮直径切割量与泵性能变化的关系,选取IS 50—32—250型离心泵为研究对象,利用商业软件Fluent对不同叶轮外径下泵的三维流场进行数值模拟,计算出不同叶轮切割量下的叶轮和泵体流场中压力场和速度场的分布。通过对不同叶轮切割量的计算结果分析比较,得出超低比转数离心泵叶轮切割量对泵的效率产生很大影响：叶轮切割量为0.03时,泵的效率突然升高;切割量为0.09时,效率稍有下降;切割量为0.15时,效率突然产生大幅度下降。实际切割中切割量不能大于0.15,否则性能严重下降。     

空化对超低比转数离心泵内压力脉动的影响研究

为研究空化对超低比转数离心泵内压力脉动的影响,采用实验和数值模拟相结合的方法,研究了IB 50-32-250型超低比转数离心泵在不同有效汽蚀余量下不同位置处的压力脉动,并对其频域和幅值特性进行了分析。结果表明:空化会诱导产生低频及宽频脉动。无空化时,叶轮流道内压力脉动主频为转频及其倍频,蜗壳内压力脉动受叶轮和隔舌间的相互作用激励,主频为叶频及其倍频,且与隔舌越近脉动越强。随着有效汽蚀余量的减小,叶轮通道中大部分测点的压力脉动幅值减小,但空化区边缘的脉动幅值增大;临界空化时,叶轮进口附近的压力脉动主频由转频变为1/6倍转频。此外,蜗壳内流场的不均匀变化导致蜗壳内压力脉动幅值增大;临界空化时,蜗壳及泵出口处的主频仍为叶频,但1/6倍转频成为幅值较大的次频。     

超低比转数离心泵的内部流动及非定常特性

为全面地研究超低比转数离心泵的内部流动和非定常特性,以一台比转数n_s=25的超低比转数离心泵为研究对象,对其进行三维非定常数值计算,并与试验结果进行对比,进而对内部流场、叶轮上的径向力和蜗壳各断面的压力脉动进行分析.研究结果表明:在不同流量工况下,叶轮流道内存在数量不等、大小不一的旋涡;靠近隔舌的2个相邻流道内,在叶轮出口边工作面的位置存在高流速区域,随着流量的增大,此处高流速区域逐渐消失;在大流量工况下,低速区面积逐渐减小,旋涡区的范围和数量逐渐减少,叶轮内相对速度分布逐渐变均匀;叶轮上的径向力大小和方向时刻变化,呈现六角星型分布,径向力脉动的主要激励频率均为叶频及其整数倍频;蜗壳各断面内压力脉动峰值随着断面变化逐渐增大,蜗壳各断面内压力脉动的主要激励频率均为叶频及其整数倍频,说明叶轮出口与蜗壳的耦合作用是蜗壳内压力脉动的主要影响因素.研究结果可为超低比转数离心泵的水力优化设计和合理运行区间的选择提供一定参考.     

基于流声耦合法的超低比转数离心泵空化特性研究

为研究离心泵不同空化状态下噪声特性的变化规律,以及空化的发展对水动力噪声的影响,首先以一台超低比转数离心泵为研究对象,搭建闭式试验台,基于泵产品测试系统及数据采集系统建立了离心泵空化噪声的试验测试系统,实现了泵性能参数和内场噪声信号的同步采集。其次,分别应用不同空化模型对模型泵空化性能曲线进行预测,并与试验值进行对比,选择合适的空化模型。在此基础上将整个空化过程划分为未空化阶段、空化初生阶段、特征空化阶段及严重空化阶段,结合声学边界元法将流场信息转化为声场信息,并通过比较各空化阶段噪声预测值与试验值相对误差,发现模拟信号与实际信号吻合度较高,充分验证了预测方法的可行性。最后,基于流声耦合法研究空化对内部声场的影响。研究发现:针对超低比转数离心泵空化,Zwart模型比Kunz模型具有更好的适用性。内场噪声信号随空化的发展变化规律比较复杂。在中低频段,由于空化对动静干涉的抑制作用,使得叶频及其倍频特征值离散分量声压级随空化的发展呈现逐渐下降趋势,而轴频分量呈现增大趋势;而高频宽频噪声随空化系数的降低呈现先缓慢减小、然后急剧上升的规律,逐渐将高频特征值分量淹没在宽频带中,高频段声压级的增高造成总声压级的升高。     

低比转数潜水电泵无过载设计

结合BQS80-180/3-90型低比转数潜水电泵的设计,分析叶轮结构参数对泵轴功率特性的影响。在保证泵运行时最大轴功率不超过配套电动机输入功率的前提下,为了能够减小配套电动机功率,进一步研究减小泵最大轴功率的方法,提出了叶轮结构参数设计判别公式。利用Fluent软件对轴功率进行预测,结果表明：利用该判别公式设计的叶轮,最大轴功率与额定设计工况下轴功率的比值小于1.2。通过样机试验,各项参数均达到额定要求,且最大轴功率大幅度降低,验证了判别式的实际应用效果。     

水动冷却塔直驱混流式水轮机转轮数值模拟优化

针对比转数仅有54的水动冷却塔直驱混流式水轮机,选取影响水轮机转轮效率的6个重要水力参数β1,β2,b0/D1,Φ/D1,Z,a/D1,每个因素取2个水平,设计L8（2^7）正交表,生成8个设计方案.通过CFD软件分别对8个方案的水轮机进行全流道数值模拟,采用理论分析和CFD技术分析转轮水力损失特性,对比其结果、优化转轮参数,再将优化后方案进行数值模拟和外特性试验,对比得到的结果,表明使用正交化方法结合CFD技术可在较少的试验方案下有效地改进水轮机叶轮水力性能,达到水轮机优化设计的目的.在设计流量点Q为5 000 t/h处,优化后的模型转轮输出功率为156.57 kW,水轮机效率达到86.51%;数值模拟效率比试验效率低0.11%,实测结果的基本趋势与数值模拟结果相一致.     

超低比转数多级离心泵水力优化与性能试验

为提高现有超低比转数多级离心泵水力性能,基于ANSYS CFX软件,对多级离心泵内部全流场定常流动进行数值模拟,通过定义叶轮、泵腔、导叶扬程及效率,分别分析叶轮、泵腔、导叶内能量转换与流动损失情况,得到影响多级离心泵性能的主要因素为叶轮与导叶的匹配,次要因素为叶轮内的流动损失.提出取导叶喉部进口绝对速度为叶轮出口绝对速度的1/2计算导叶喉部面积,并逐步优化设计一流道式导叶,通过调整叶片型线消除叶轮流道内旋涡.优化后的叶轮与导叶各处速度变化均匀缓慢,大大降低了流动损失.将性能较优的模型进行制造和测试,测试结果表明,优化后方案的额定工况下扬程提高8.1 m,效率提高3.2%,达到了国家标准,取得了较好的优化效果.将数值模拟结果与试验结果进行对比,分析二者的差异,为进一步优化改进超低比转数多级泵的水力设计方法提供参考.     

中低比转数混流泵设计与试验

以比转数350的混流泵为研究对象，通过设计研制的两种不同几何形状和过流面积的蜗壳、多种叶轮设计方案进行组合试验，以及在叶轮出口边不同位置以不同位置以不同切削量进行切削试验，对不同水力结构参数的设计方案与试验所获得的性能数据关系进行分析，提出了该型泵的理想性能水力设计建议。     

超低比转数复合叶轮高速泵的加大流量设计

阐述了超低比转数高速复合叶轮离心泵的加大流量设计方法,并给出了两个设计实例,水力试验表明,这两台采用加大流量设计的超低比转数高速复合叶轮离心泵具有很好的性能指标。     

低比转数离心泵叶轮内能量转换特性

对比转数为60的离心泵内部流场进行数值模拟计算,从叶轮做功过程和能量损失过程两方面分析了叶轮内能量转换特性.将叶轮按径向尺寸分为8个区域,展示了不同工况、不同区域中压力和粘性力做功大小、功率密度分布、湍动能耗散率分布、能量损失组成及分布等能量转换相关特征.结果表明,叶轮进口区域能量转换效率相对较低且受叶片进口安放角影响,叶轮中部区域是叶轮做功和流体获得能量的关键区域,叶轮出口区域对叶轮性能有显著影响,壁面摩擦损失是叶轮内能量损失的主要组成部分.     

蜗壳轴向出流式低比转数水轮机设计与数值模拟

基于流体机械设计理论和数值模拟分析方法,设计了一种新型低比转数水轮机,其不仅适用于小水电机组的更新完善,也可作为冷却塔风机的直接驱动装置。该水轮机采用蜗壳轴向出水方式,使其径向尺寸约为相似常规水轮机的1/2,除降低造价成本外,更有利于冷却塔内通风;为适应冷却塔内部结构,采用反击式环形叶片作功,在很大程度上降低了水轮机径向尺寸;对应水轮机转轮出水形式,环形尾水管进水模式将尾水接入对称布置的4个布水管,均匀出水结构在很大程度上改善了尾水管内流场,同时可使水轮机直接安装在中心基座上。数值模拟结果表明:蜗壳出口速度满足等速度矩定律,采用轴向出水方式的反击式水轮机的流场分布符合要求;水轮机预测效率约90%,各部分水力损失均较小。     

关于低比转数多级离心泵叶轮设计的浅析

低比转数多级离心泵是应用极广泛的一种泵。如锅炉给水、油田注水、高层建筑给水,化工流程、消防用水、矿山开采等多采用这种泵。仅油田注水用泵的耗电量就高达油田总耗电量的50%。而多数低比转数多级泵的效率又比较低,因此提高低比转数多级泵的效率、改善其性能、对节约能源、提高社会效益十分重要。     

低比转数排污泵数值计算与实验

结合数值计算与PIV实验手段,对一改造过的比转数ns =60的潜水排污泵蜗壳内部流动进行了研究。采用六面体结构化网格对其进行全流场数值计算,计算结果表明,由于口环泄漏导致该区域附近的湍动能最大,且设计工况下蜗壳内部湍动能要大于叶轮内部。另外,通过外特性实验结果、PIV测试结果与CFD数值计算的对比发现,二者能够较好地吻合,验证了数值计算的正确性,并得出以下结论：受叶轮出口绝对速度与圆周方向夹角随流量增加而变大的影响,在0.6Qopt 和Qopt 流量下第8断面内的流体一部分再次通过蜗壳进入第1断面内,导致蜗壳隔舌与蜗壳进口之间的速度较高,在该处造成较大的速度梯度;而在1.4 Qopt 工况下此现象消失,蜗壳第8断面附近的速度最高,速度梯度较大;并且在大流量1.4Qopt 下蜗壳第1断面与第5断面之间能够明显地看出3个从叶轮出口射流出来的高速尾迹区域。     

自吸离心泵比转数的探讨

分析了比转数与自吸离心泵的性能参数及结构之间的关系,给出了自吸离心泵主要水力设计和结构设计公式的系数及选择方法;并取相同比转数时用4种方法对圆盘效率作了探讨,指出了提高效率的途径;此外还将低比转数离心泵叶轮的铸造工艺作了简单介绍。     

ZM931高比转数轴流泵水力模型的设计

介绍了ＺＭ９３１高比转数低扬程轴流泵水力模型的设计,提出了一些实用的处理方法,实践表明,用这些方法能够设计出效率高,高效范围宽,过流量大,抗汽蚀性能好,工艺性好的轴流泵水力模型。设计的模型已推广应用。     

低比转数离心泵进口预旋的数值计算

为研究预旋对泵性能的影响,基于欧拉方程和斯托道拉方法,采用径向前置导叶实现预旋,以CFD软件Fluent为平台,以单级低比转数离心泵为研究对象,改变前置导叶几何参数设计3组方案,通过对3组前置导叶预旋方案进行数值模拟,从内部流场和外特性分析预旋对离心泵无过载性能的影响.结果表明：从内流场上看,预旋越强,导叶出口圆周速度越大.若不考虑边壁影响,圆周速度沿径向由内到外呈增大趋势,沿流动方向,圆周速度略有减小,与速度矩保持定理有一定的偏差.从外特性上看,通过增加预旋获得了陡降的H-Q曲线及平坦的P-Q曲线,并且效率在小流量到额定流量附近还略有提高,因此,通过预旋实现全扬程无过载是可行的.     

不同比转数离心泵设计工况下湍流模型的适用性研究

应用离心泵数值模拟中常用的5种湍流模型,使用Fluent软件对5台不同比转数的离心泵在设计工况下的内部流动进行了叶轮蜗壳耦合数值计算.基于数值模拟结果,对这5种湍流模型进行了对比性研究.研究表明:在设计工况下,5种湍流模型的计算结果与试验值都存在不同程度上的误差;在低比转数离心泵和中等比转数离心泵中.RNG κ-ε模型的计算结果与试验值较为接近,而对于高等比转数离心泵,SST κ-ω模型的计算结果相对于其他模型来说较为理想;5种湍流模型所计算出的中间截面处的涡量大小和湍流强度分布都比较相似,但也存在不同程度上的区别,其中RNGκ-ε模型相对于其他模型来说差异最为明显.     

超低水头竖井贯流式水轮机转轮数值模拟优化

结合江苏苏北某电站,研究开发了一种设计水头为2 m左右的超低水头竖井贯流式水轮机．基于Navier-Stokes方程,采用SIMPLEC算法对该竖井贯流式水轮机全流道三维定常不可压湍流流场进行了数值模拟,分析了超低水头转轮叶片翼形、直径及安放角对水轮机性能的影响．分析了多个方案的水力性能,选出了最佳的水轮机转轮．结果表明:在满足电站设计要求的情况下,翼型优化后,转轮直径为175 m、叶片安放角为23°时的水轮机,在效率、水力损失等方面都表现出最佳的性能:该超低水头竖井贯流式水轮机在导叶开度为65°,设计水头为21 m时,数值模拟出的流量为1005 m3／s,效率最高为876％．以GD-WS-35水轮机模型试验研究该水轮机的能量性能,在设计工况下,对数值模拟效率最高的水轮机方案试验的结果:模型装置的流量为0398 m3／s,效率为8334％;按原模型转换规律转换为原型装置数据,则流量为996 m3／s,效率为8514％;数值模拟效率比模型试验效率的结果略高,误差范围为±3％．     

低比转数混流泵导叶内部压力脉动特性研究

对一比转数为148.8的设计混流泵进行试验和数值模拟研究,比较不同流量工况下混流泵性能的试验与数值计算结果,两者吻合较好。在流场内部设置监测点,捕捉压力脉动由动静干涉无叶区向导叶出口的发展过程。分析不同工况下的混流泵各测点的压力脉动,发现导叶内部各测点压力脉动主要受叶轮转动影响,主频为叶频;由动静干涉的无叶区到导叶出口,平均压力逐渐增大,而压力脉动的幅值强度越来越弱;非设计工况下的压力脉动变化更复杂。上述结果可为混流泵进一步的优化设计提供参考。