前置导叶对轴流泵马鞍区工况回流涡特性的影响

基于RANS方程和SST k-ω湍流模型,对带前置导叶轴流泵进行三维非定常计算,研究了"马鞍区"工况进水流道回流涡的特性以及前置导叶对回流涡结构及压力脉动的影响,揭示了前置导叶提高轴流泵"马鞍区"工况扬程的机理。结果表明,小流量工况,轴流泵进水流道内形成大范围螺旋形回流,其与主流的剪切作用导致回流涡的产生,引起大量低频压力脉动,并造成能量损失,致使泵扬程下降,出现马鞍形;增设前置导叶可打破连续的回流涡,降低低频压力脉动幅值,提高轴流泵运行稳定性;同时,前置导叶可提高轴流泵扬程,消除扬程曲线马鞍形,且随着前置导叶位置不断靠近叶轮进口,泵扬程提高幅值不断增大;最后,前置导叶调角可进一步提高轴流泵扬程。     

箱涵式双向立式泵装置性能试验与流场分析

【目的】探究箱涵式双向立式泵装置性能与导叶体对泵装置效率的影响。【方法】以江苏省江边枢纽泵站的箱涵式双向立式轴流泵装置为研究对象,采用物理模型试验方法对箱涵式双向立式轴流泵装置模型开展了能量性能、汽蚀性能及飞逸性能试验,并采用数值模拟技术分析了泵装置内部流动特征。【结果】①排水工况设计扬程1.55m时,叶片安放角-6°下箱涵式双向立式轴流泵装置的效率为57.24%。②引水工况设计扬程1.75 m时,叶片安放角-6°下箱涵式双向立式轴流泵装置的效率为60.77%。③在运行扬程1.75～3.95m范围内,轴流泵的临界汽蚀余量均不超过8.0 m,满足最低淹没深度要求。【结论】经导叶体数值比选,在设计流量时采用扩散导叶体的泵装置效率高于采用直导叶体的泵装置。各工况时箱涵式双向进水流道内流场的前部流线平顺,在双向进水流道的盲端处,流速很小,表现为运动缓慢的回流区;出水侧的流态分布整体较为均匀,无不良流态出现。     

轴流泵马鞍区水力性能与压力脉动测试与分析

为了分析轴流泵在马鞍区工况的运行特性,对一轴流泵不同工况下的外特性和压力脉动进行了测试,重点分析了轴流泵马鞍区水力特性和压力脉动特性.试验结果表明:模型泵H-Q曲线在0.50Q_d~0.60Q_d内表现出明显的马鞍形,且扬程在马鞍区内0.55Q_d工况时达到最小值,较0.60Q_d工况扬程降低0.33 m,为设计工况下扬程的5.5%;叶轮进口和泵出口处压力脉动具有较为明显的周期性,单个周期内压力脉动表现出明显的4波峰4波谷特征;0.55Q_d工况时,叶轮进口处压力脉动峰峰值为设计工况的2.3倍;各工况下导叶中间和出口处压力脉动规律较为复杂;叶轮进口压力脉动主频为叶片通过频率,0.55Q_d工况叶频处的幅值最大,高于设计工况27.6%.小流量工况下,导叶中间、导叶出口处压力脉动在频域内出现较多低频信号,压力脉动频率成分较复杂.泵出口压力脉动主频在1.00Q_d工况下明显表现为叶频.研究成果可为轴流泵不稳定运行特性的优化提供参考.     

对旋式轴流泵后置叶轮水力性能分析

为了研究对旋式轴流泵后置叶轮对其水力性能的影响,采用CFD软件对该对旋式轴流泵装置进行数值模拟计算,将前置叶轮与后置叶轮水力特性进行对比分析,研究后置叶轮的进口安放角对整个装置水力特性的影响,最后通过模型试验验证数据的可靠性.结果表明:在设计工况下,对旋式轴流泵扬程为11.32 m,效率为87.57%.在小流量工况下,流量为300 L/s左右泵提前进入马鞍区,此时泵扬程为14.06 m,效率为79.48%;在大流量工况下,流量为440 L/s时,泵装置扬程为2.24 m,效率为54.16%.对旋泵后置叶轮的水流进口冲角要大于前置叶轮的水流进口冲角,导致后置叶轮叶片做功能力增强,后置叶轮扬程增大.改变后置叶轮安放角,特别在小流量工况下,后置叶轮的马鞍区同样提前,后置叶轮的进口液流角几乎相同.研究结果对于对旋式轴流泵后置叶轮的设计和优化提供参考依据.     

轴流泵导叶进口段调节对其外特性的影响

针对轴流泵在偏离设计工况时,因水流方向的偏离导致其效率急剧下降,在常规导叶的基础上改变导叶进口段的位置,以期能提高轴流泵在非设计工况下的效率,扩大其在高效区的运行范围。将导叶分为进口段、中段和出口段3个部分,并采用数值计算结合模型试验的方法研究了不同导叶进口段位置对轴流泵外特性的影响。结果表明:导叶进口角度的改变影响到导叶体内的流态及其水力损失,从而影响到泵装置的能量性能;在轴流泵导叶原设计进口角度的基础上,沿顺时针方向旋转适当角度,可扩大低扬程泵装置高效运行的范围,显著提高偏离设计工况点的低扬程、大流量区的效率。     

大型立式轴流泵装置水力模型比选分析

【目的】探讨水泵选型方法的合理性。【方法】基于雷诺时均N-S方程和RNG k-ε紊流模型,以立式轴流泵为研究对象,采用传统选型方法和等扬程加大流量的选型方法,运用CFD软件对2种水力模型的泵装置进行全流道数值计算,增加泵装置外特性和不同工况下导叶流线分布作为分析水泵选型方法的参考指标。然后对水力模型选择的可靠性进行模型试验验证。【结果】传统选型方法所选的模型,泵装置高效区扬程偏高,但考虑到涵洞损失,可以应用在该泵站中。等扬程加流量的选型方法高效区合理,但最高扬程不能满足要求。数值计算与模型试验的结果对比最大误差小于5%,整体性能曲线的趋势相对良好,数值计算对泵装置的模拟合理可靠。【结论】选用等扬程加大流量的选型方法可保证轴流泵最高效率点与设计点接近,在实际工程中,需兼顾各个特征扬程。     

前置导叶可调式轴流泵低频压力脉动特性研究

基于RANS方程和SST k-ω湍流模型,对前置导叶可调式轴流泵进行三维非定常计算,研究了前置导叶调节对轴流泵外特性和压力脉动的影响,揭示了小流量工况泵内低频压力脉动随前置导叶调节变化机理。结果表明:前置导叶负角度时,轴流泵扬程升高,效率在小流量工况基本保持不变,大流量工况略有升高;前置导叶正角度时,轴流泵扬程和效率均下降,且大流量工况效率下降幅度较大;小流量工况泵后置导叶内的涡旋引起低频压力脉动,且低频压力脉动频率与涡脱落频率一致;偏离设计工况时,前置导叶调节可减小叶轮进口流动冲角,改善泵内流态,从而降低低频压力脉动幅值。     

可调导叶式轴流泵马鞍区水力特性试验研究

为了分析不同导叶安放角对轴流泵在马鞍区工况运行时的影响,探究导叶角度的优化规律,在水泵模型试验台上,对一种新型可调导叶式轴流泵的外特性进行测试,得到不同导叶安放角下H-Q、η-Q、P-Q曲线,分析了导叶安放角对轴流泵马鞍区水力特性的影响.试验结果表明:相同流量工况下轴流泵的扬程和效率随着导叶安放角由0°向-5°调节而增大,调节导叶安放角,能够有效抑制叶片背面脱流旋涡的扩散,显著改善轴流泵出口的流态,提高动能回收的比例;在马鞍区工况下,扬程最大提升0.15m,为设计扬程的4.69%,效率最大提升1.93%;马鞍区起始点流量向小流量偏移了0.00494m3/s,马鞍区范围减小了6.64%,拓宽了轴流泵稳定运行的区域;导叶安放角在-5°～0°的调整过程中,轴流泵的轴功率没有明显变化;在本次试验条件下,导叶安放角为-5°时马鞍区水力特性改善效果最明显,但仍有进一步提升的空间.     

可调导叶式轴流泵马鞍区水力特性试验研究

为了分析不同导叶安放角对轴流泵在马鞍区工况运行时的影响,探究导叶角度的优化规律,在水泵模型试验台上,对一种新型可调导叶式轴流泵的外特性进行测试,得到不同导叶安放角下H-Q、η-Q、P-Q曲线,分析了导叶安放角对轴流泵马鞍区水力特性的影响.试验结果表明:相同流量工况下轴流泵的扬程和效率随着导叶安放角由0°向-5 °调节而增大,调节导叶安放角,能够有效抑制叶片背面脱流旋涡的扩散,显著改善轴流泵出口的流态,提高动能回收的比例;在马鞍区工况下,扬程最大提升0.15m,为设计扬程的4.69％,效率最大提升1.93％;马鞍区起始点流量向小流量偏移了0.004 94 m3/s,马鞍区范围减小了6.64％,拓宽了轴流泵稳定运行的区域;导叶安放角在-5°～0°的调整过程中,轴流泵的轴功率没有明显变化;在本次试验条件下,导叶安放角为-5°时马鞍区水力特性改善效果最明显,但仍有进一步提升的空间.     

竖井贯流泵装置水力特性的数模分析

为了探讨水泵与进出水流道水力耦合所诱发的水泵装置水力特性畸变,选择了典型竖井贯流泵装置作为研究对象,采用雷诺时均的纳维-斯托克斯方程(RANS)和标准k-ε湍流模型,首先数值模拟整体水泵装置的能量特性,并与模型试验结果进行比较。计算结果表明,在水泵装置运行净扬程0~1.22 m范围内,相同净扬程下的流量相对偏差小于3.53%,验证了三维建模、网格剖分和数值模拟方法的合理性。在此基础上,数模研究了不同工况下水泵与进出流道水力耦合与非耦合时的竖井贯流泵装置水力特性。研究结果表明:(1)耦合与非耦合时的进、出水流道水力损失变化规律差异显著;(2)小流量工况,水泵进口存在较大的速度环量诱导进水流道水流旋转,导致进水流道水力损失曲线畸变,水泵进口入流条件变差,并与水泵马鞍区显著关联,但大流量工况时耦合与非耦合特性差异较小;(3)水泵出口存在速度环量,导致出水流道水力损失曲线畸变,出水流道内存在螺旋流动,但随流量增大而减弱,水泵出口断面涡角随流量增大而增大。     

大型箱涵式泵装置优化设计与试验

为了研究箱涵式泵装置进、出水流道的水力性能,采用了基于CFD数值模拟计算和模型试验的DOE正交设计试验方法。对进、出水流道进行三维参数化建模,以进水流道出口断面速度均匀度和水力损失为目标函数,针对进水喇叭管、导水锥和出水喇叭管、出水导流墩控制尺寸进行五因素四水平的正交试验设计。通过CFD数值模拟手段,针对设计流量工况点,分别对进水流道和出水流道各16个设计方案进行数值模拟计算,分析不同控制尺寸对进、出水流道水力性能的影响。最后通过模型试验对优化方案数值计算结果进行可靠性验证。数值模拟和试验结果表明,通过DOE正交设计方法进行进水流道优化设计,可以得到各控制参数对进水流道水力损失和出口断面均匀度的主次影响,进水流道最大水力损失达到8.56 cm,最小水力损失为3.91 cm,优化方案水力损失为3.65 cm,出口速度均匀度达到93.07%,较初始方案水力损失降低了1.31 cm,出口速度均匀度提高了1.17个百分点;出水流道最大水力损失为46.07 cm,最优组合出水流道水力损失为32.53 cm,较原始方案水力损失减小了7.96 cm。根据泵装置全特性曲线可知,该泵装置出水流道水力损失在设计工况下最小,最高运行效率达到70.04%,最高运行扬程为4.0 m,在设计扬程1.36 m时,效率为66.82%,对应流量为34.31 m3/s。模型试验最高运行效率达到71.5%,在设计扬程1.36 m时,试验运行效率在64%左右,与数值模拟结果吻合较好。     

竖井贯流泵装置马鞍区流动特性分析

为了分析竖井贯流泵装置马鞍区工况的流动特性,基于流体计算分析软件Fluent对某一典型竖井贯流泵装置开展内流场数值模拟,在验证了计算结果准确性的情况下,对比分析了不同工况下叶轮内部的流动状况,研究了叶轮旋转对进水流道出口断面流态的扰动状况以及叶片表面静压分布情况。结果表明:泵装置设计流量下运行平稳,设计合理,在设计流量54%～63%的范围内存在运行不稳定马鞍区;设计工况下叶片表面静压分布均匀,从1.0 Q至0.54 Q,叶片表面高压区从叶片进口边向整个叶片外缘扩散;随着流量的减小水泵内部逐渐出现回流,马鞍区工况时叶片背面靠近轮毂、轮缘处出现较大范围漩涡与回流;小流量下,进水流道水流跟随叶轮旋转,形成与叶轮旋转方向一致的漩涡,并且水流还会撞击壁面形成回流。     

立式轴流泵装置进水流道出口流态与脉动试验分析

进水流道出口流态是影响立式轴流泵装置运行稳定性的关键因素之一,基于立式轴流泵装置整体物理模型,采用在肘形进水流道出口段壁面布置丝状红线和压力脉动传感器,研究分析了不同转速时立式轴流泵装置肘形进水流道出口段的流态及压力脉动变化规律。结果表明,当流量小于0.7Qbep时肘形进水流道出口段内壁面的丝线偏移方向与叶轮旋转方向相同,各测点的脉动幅值均随转速的增加而增加;当流量大于0.7Qbep时肘形进水流道出口段内壁面的丝线偏移方向与泵轴方向相同,各测点的脉动幅值随转速的增加而减小。相同转速时,各测点的脉动幅值随流量的增大先减小后增大,在最优工况时脉动幅值最小。不同转速下,流道出口各测点的脉动主频均为4倍转频,最优工况时各测点的脉动次主频均为1倍转频。随转速增加,肘形进水流道出口段各测点主频幅值的增幅存在差异性,小流量工况时各测点的脉动主频幅值增幅小于最优工况和大流量工况。     

灯泡贯流泵装置内部流动及水力特性

为了深入研究灯泡贯流泵装置内部流动与水力特性之间的联系,采用数值计算、性能试验与PIV流场测试方法,获得了灯泡贯流泵装置在大流量、小流量和最优工况下的流动和水力特性.采用RNG紊流模型和SIMPLEC算法,基于多旋转坐标系模型,计算了灯泡贯流泵内部定常流动.分析了泵装置内部流动,指出小流量工况下泵叶轮的进口有较大范围的旋涡区,出水灯泡体内流态较为紊乱;而在最优工况及大流量工况下,泵装置内未见明显回流区.研究表明,灯泡贯流泵进水流道水力损失符合传统管道内局部水力损失规律,而出水流道的水力损失表现为与泵装置运行工况相关的规律,最优工况点附近损失最小,小流量和大流量工况点水力损失均较大.计算结果与二维PIV流动测试结果均表明在小流量下进口近泵壳侧有明显的回流区,而在叶轮出口靠近轮毂处有大面积的脱流.因此,灯泡贯流泵装置优化水力设计应当重视小流量工况下叶轮和导叶处的流动特性.     

立式轴流泵装置模型水力性能数值分析及预测

依托南水北调东线一期工程某低扬程泵站的设计参数,基于三维湍流流动雷诺时均N-S方程和RNG k-ε湍流模型,对由肘形进水流道、轴流泵和虹吸式出水流道组成的低扬程立式轴流泵装置模型内部流动进行数值模拟,分析了小流量工况(0.180 m³/s)、设计流量工况(0.299 m³/s)和大流量工况(0.360 m³/s)等3个典型工况时的泵装置流态和叶轮叶片表面的压力分布情况,对泵装置模型的能量性能进行预测,并与泵装置模型试验结果进行对比分析.结果表明:泵装置效率的数值计算结果与模型试验结果基本一致,最优工况点附近较为接近,在计算范围内最大差值不超过2%;设计流量工况时泵装置进、出水流道内的三维湍流流动状况,与进、出水流道分别进行数值计算时的状况基本一致;3种不同典型工况时泵装置进水流道内的流场分布状况相同,而出水流道内的流场差别很大.对不同工况时立式轴流泵装置模型内部三维湍流流动的研究结果,可为低扬程泵装置多工况水力设计优化研究提供一定的参考.     

叶片角度对输水泵站泵装置水力性能影响分析

为研究输水泵站泵装置水力性能受叶片角度变化的影响,采用CFD方法模拟全流道泵装置水力性能,分析设计流量工况下叶片角度变化对进水流道、出水流道流动及叶轮内部流动特性和水力性能的影响.结果表明:在设计流量工况下,叶片角度偏离设计工况角度,叶轮进口近轮毂区存在回流、脱流;叶片角度偏离设计工况角度越大,进水流道、出水流道内水流流态越差,水力损失越大.当叶片角度调节为-8°工况时,与叶片角度-0°工况比较,进水流道和出水流道水力损失相对值最大,分别为1.28和2.89.即叶片同等偏离角度下,出水流道水力损失增大幅度较进水流道更加明显.对比数值模拟结果与模型试验结果得出,在设计流量工况,叶片角度为0°时,扬程相对误差为1.2%,效率相对误差为2.1%,两者吻合较好.     

灌排双向立式泵装置内部水流压力脉动特性

通过物理模型试验方法研究灌排双向立式轴流泵装置内部压力脉动特性.在进水流道前端、导叶体出口和出水流道后端壁面上布置3个压力脉动测点.在额定转速为1 450 r/min时,对5个不同叶片安放角度下能量试验的压力脉动、叶片安放角为-4°时不同特征工况点空化试验的压力脉动,以及3种不同转速的压力脉动等进行了测试和分析.测试结果表明：进水流道前端、出水流道后端和导叶体出口处的最大压力脉动相对幅值分别为0.22,1.10和1.20.在不同叶片安放角度时,进水流道前端和出水流道后端的压力脉动相对幅值随流量的增大而增大;而导叶体出口处的压力脉动相对幅值随流量的增大,先减小后增大,其最小值出现在最优工况点对应的区域.在空化试验情况下,当泵装置进口压力降低至某一值后,导叶体出口处的压力脉动相对幅值开始增大.不同转速时,各测点的压力脉动相对幅值随扬程的变化趋势相同.在相同扬程时,进水流道前端和出水流道后端的压力脉动相对幅值随转速的增大而增大,然而未发现导叶体出口处的压力脉动相对幅值与转速的变化有明显的规律.     

轴流泵失速工况下非定常流动特性研究

为了研究轴流泵在失速工况下的流动特性,对某原型立式轴流泵进行非定常数值计算,对比分析了设计工况以及失速工况下泵内部典型流动结构与压力脉动特性,揭示了失速工况下低频压力脉动的产生机理,利用真机压力脉动测试验证了数值计算方法的可靠性。研究表明:失速工况下叶片背面的前缘靠近轮缘一侧以及尾缘靠近轮毂一侧存在回流区;设计工况下叶轮进口处以及导叶体中段压力脉动主频为叶片通过频率,叶轮出口部位由于受到动静干涉作用,主频为导叶通过频率,导叶体出口部位由于远离旋转叶轮,叶频主导作用减弱;深度失速工况下泵内部压力脉动系数幅值显著增加,其中导叶体出口处G6点在深度失速工况下压力脉动系数幅值为设计工况的16倍;深度失速工况下叶轮出口处监测点P6、导叶体中段监测点G2以及导叶体出口监测点G6出现频率为0.83 Hz的低频压力脉动;失速工况下导叶体内涡核心区域与导叶流线图中存在的漩涡的发展、演化规律基本一致,两者的频率均为0.86 Hz,与低频压力脉动的频率(0.83 Hz)较为接近,因此可以证明低频压力脉动由导叶内漩涡诱导所致。     

低扬程泵装置压力脉动特性

初步分析了低扬程泵及泵装置压力脉动的基本规律. 基于浙江姚江上游西排工程排涝泵站立式泵装置不同叶片角度和不同流量时的压力脉动特性模型试验结果,研究泵装置的叶轮室进口、叶轮室出口、导叶体出口和出水流道出口处的压力脉动规律. 从叶轮与导叶之间的水流条件、水泵运行工况等方面,对低扬程泵装置压力脉动进行了初步理论分析,提出了导叶体与叶轮间隙的大小、导叶体的叶片数对低扬程泵装置压力脉动特性的影响等需进一步研究的问题. 从水力因素和水泵制造等方面提出了避免低扬程泵装置压力脉动有害影响的对策:适当加大叶轮与导叶之间的间隙,避免水泵在偏离最优工况较多的条件下运行,提高水泵抗空化性能等;从避免产生共振的角度,提出适当加大叶轮叶片厚度、导叶叶片厚度和加强水泵的结构设计等措施.     

带可调进口导叶轴流泵装置水力性能数值分析

根据轴流泵进口导叶片的设计要求,设计了可调进口导叶并开展了不同安放角进口导叶轴流泵装置的三维定常数值计算,获取了进口导叶对轴流泵装置水力性能调节的综合特性曲线,建立了带可调进口导叶轴流泵装置水力性能预测的多元非线性回归预测数学模型。依据数值计算结果和速度三角形分析了可调进口导叶对转轮及轴流泵装置水力性能的影响,结果表明:在进口导叶安放角0°时,相比不带可调进口导叶的轴流泵装置,在高效区及小流量工况时带进口导叶泵装置的能量性能变化很小,大流量工况时进口导叶的水力损失较大进而导致带进口导叶泵装置的效率下降幅度较大。随进口导叶安放角由0°逐渐向正角度增大时,泵装置的最优工况向小流量方向偏移,泵装置的流量效率曲线呈现出整体下降的趋势;随进口导叶安放角由0°逐渐向负角度减小时,泵装置的最高效率先增大后减小,但泵装置的最高效率点对应的流量未发生改变。