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。     

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.     

立式管道离心泵多工况压力脉动试验

为研究不同工况下立式管道离心泵内部压力脉动特性,文中采用动态压力传感器在模型泵进口弯管处、蜗壳隔舌附近、蜗壳扩散管处分别设置压力监测点,对0.6Q_d,1.0Q_d和1.4Q_d这3种流量下的压力脉动进行了测试,得到了压力脉动时域图、频域图和时频域图.试验结果表明:蜗壳隔舌附近的压力脉动信号波动最大.随着流量的增加,各监测点的压力脉动幅值先减小后增加.小流量和设计流量下,进口弯管处的压力脉动主频为2倍轴频,大流量下主频为轴频,幅值表现出强烈的波动特性.蜗壳隔舌附近的压力脉动主频均为叶频,幅值随流量增加而增大,在小流量和设计流量下高频处表现出较宽频段的波动性.蜗壳扩散管处的压力脉动在小流量和设计流量下主频为叶频,大流量下主频为轴频,轴频的幅值随流量增大而减小.     

多级离心泵多工况压力脉动数值模拟

为了研究多级泵中叶轮和导叶的动静干涉现象,采用Ansys CFX软件对某一5级离心泵不同流量工况下非定常流动进行数值模拟,获得并分析了叶轮和导叶内4个典型位置的流动压力脉动分布特性。通过与外特性试验和振动试验结果的对比,验证了数值模拟的可信性。结果表明:各监测点脉动主频560 Hz左右,为2倍叶频处,且振动幅值较大,动静干涉现象强烈;叶轮与导叶交界面的压力脉动强度最大;导叶内压力脉动受叶轮的影响,离叶轮出口越远,压力脉动幅值越小;导叶内在叶频处存在较大峰值,说明叶频是其出口压力脉动的主要成分,流量越小,脉动强度越大。通过掌握压力脉动分布特性,能够为多工况运行的低压力脉动多级离心泵水力设计提供重要的理论依据。     

叶轮直径对双蜗壳离心泵压力脉动特性的影响

为分析叶轮直径对双蜗壳离心泵压力脉动特性的影响,采用SST k-ω湍流模型和SIMPLEC算法对不同叶轮直径下的双蜗壳离心泵进行数值计算,将外特性参数试验结果与计算结果进行对比。研究表明,离心泵外特性参数(扬程H与输出功率P)随直径变化是等梯度的,并且计算值与试验值基本吻合;小流量工况下压力脉动幅值高于其他流量工况,叶轮直径变化会使叶片弯曲度发生改变,受动静干涉以及射流-尾迹的影响会出现脉动叠加现象,从而在叶片通过频率的倍频处(3fBPF或4fBPF)产生高幅值脉动;隔舌区域流动混合现象最为明显,且除D^2/D2=1(模型3)以外,隔舌位置处的压力脉动峰值均出现在叶片通过频率处。对于所选取的模型,除过隔舌区域监测点之外的其他监测点处压力脉动峰值处的脉动幅值随叶轮直径增大逐渐增大,且最大幅值波动达到23.8%。叶轮直径变化时射流-尾迹与动静干涉作用对离心泵内部压力脉动特性有重要影响。     

前后盖板长度对离心泵外特性与非定常特性的影响

为了研究前后盖板保留长度对离心泵外特性以及非定常特性的影响,以一台比转速为80的离心泵为研究对象,在切削叶轮的叶片外径保持不变的情况下,对比了不同前后盖板直径(168、174和180 mm)对外特性、径向力和压力脉动的影响。通过对离心泵进行全流场非定常计算发现,各流量下扬程、效率均随前后盖板保留长度的增加而增大,扬程最大相差2.14 m,效率最大相差3.5%;在设计工况下,3种方案下的径向力呈周期性变化,矢量图呈五芒星分布,前后盖板保留得越多,径向力越大;由于叶轮与隔舌动静干涉的作用,蜗壳内各监测点压力脉动的主频均为叶频,随着叶轮与蜗壳间间隙的减小,隔舌处的压力脉动在叶频处基本保持不变,其倍频逐渐增大,第二断面的压力脉动系数幅值也逐渐增大。     

高比转数离心泵空化状态下的压力脉动特性

通过相似变换得到高比转数离心泵缩小模型,并通过试验和数值模拟发现模型泵和设计泵的性能曲线相近,可代替设计泵进行试验研究.基于RNG k-ε湍流模型,采用SIMPLEC方法求解不可压缩时均方程,通过对离心泵内部流场进行定常和非定常数值模拟,得到不同工况点的外特性、汽蚀及压力脉动特性.并通过模拟结果和试验结果的对比,验证了模拟的准确性.通过模拟发现,额定流量下隔舌处的压力脉动幅值最大;不同工况下各检测点的压力脉动主频均为叶频;隔舌压力脉动最大,进口压力脉动最小.额定工况下压力脉动幅值最小,非设计工况下压力脉动幅值明显增大;通过对空化不同阶段的瞬态数值模拟,发现从未空化到严重空化,不同工况下隔舌和出口处的压力脉动变换规律相同,随着空化发展压力脉动幅值降低,且脉动主频均为叶频;并且随着空化程度加剧,压力脉动高频成分增多,各监测点主频下降明显,并可将此作为判定空化初生的依据.     

双进口两级双吸离心泵过渡流道压力脉动特性研究

双进口两级双吸离心泵的过渡流道由正流道、过桥段、反流道3部分组成,其中正流道为双蜗壳型式,反流道为带有导叶的双螺旋型式,过桥段连接正反流道呈现空间扭曲状。过渡流道与首级叶轮和次级叶轮均存在动静耦合关系,由此导致的动静干涉效应是引起压力脉动的主要根源之一。采用CFD方法对双进口两级双吸离心泵典型工况下的三维非定常流场进行了研究,对过渡流道压力脉动机理进行了分析。研究发现,正流道内的静压分布与其双蜗壳型式密切相关,在所有工况下均呈180°对称分布,压力脉动主频均为叶片通过频率,最大脉动幅值均出现在隔舌附近;小流量工况下,隔舌处压力脉动主频幅值明显高于设计工况,约为设计工况的180%。在过桥段中,所有工况下压力脉动主频均为叶片通过频率,设计工况下,沿着流动方向,内壁面进口处的压力脉动主频幅值达到最大,外壁面主频脉动幅值变化沿流动方向有增加的趋势;在反流道中,设计工况下压力脉动主频为叶片通过频率,幅值沿着流动方向逐渐增加,出口处主频的脉动幅值约为进口处的110%;小流量工况下,反流道导叶附近存在低频成分,且在导叶周围发现具有周期性的漩涡。     

隔舌间隙对双吸离心泵内部非定常流场的影响

为了研究隔舌间隙对双吸离心泵内部非定常流场的影响,采用大涡模拟方法和滑移网格技术,对双吸离心泵在设计工况下的内部湍流进行了数值计算,重点分析了5组隔舌间隙下泵内非定常流场特性及压力脉动特性.结果表明:随隔舌间隙增大,水泵扬程整体呈上升趋势,效率则整体呈下降趋势;蜗壳内压力脉动频率以叶片通过频率为主,主频和压力脉动幅值均随隔舌间隙的增大呈减小趋势,隔舌间隙增加4％时,隔舌位置1倍叶片通过频率处的脉动幅值降低9％左右;叶片区压力脉动频率以叶轮转频为主,最大压力脉动幅值均出现在2倍叶轮转频处,当隔舌间隙比设计隔舌间隙减小4％时,叶片正面中心位置2倍叶轮转频处压力脉动幅值增加约38％.     

带小叶片螺旋离心泵压力脉动特性分析

为了研究带小叶片的单叶片螺旋离心泵压力脉动特性,采用Navier-Stokes方程和标准的k-ε湍流模型对带小叶片和单叶片的螺旋离心泵的内部流场进行非定常数值计算。通过模拟分别获得了带小叶片和单叶片的螺旋离心泵蜗壳出口以及蜗壳内部压力脉动特性,并对其进行对比分析。结果表明:各个工况下,带小叶片和单叶片的螺旋离心泵蜗壳出口以及蜗壳内部压力脉动特性呈周期性变化,且主频均为各自叶片通过频率,压力波动的幅度大部分集中在低频区域;采用小叶片后周期变为原模型周期的一半,蜗壳及蜗壳内部出口压力波动的幅度明显减小,脉动幅值也明显减小,且高频脉动有所减少。研究表明单叶片螺旋离心泵叶轮小叶片的添加可以有效改善泵内部压力脉动特性,且对降低蜗壳上的振动噪声有一定积极作用。     

低比转数离心泵小流量工况下的压力脉动特性

为了研究低比转数离心泵在小流量下的压力脉动特性,以IS50-32-160型离心泵为研究对象,在对模型泵进行网格无关性分析的基础上,采用分离涡模拟对不同小流量工况下的内部非定常流动进行数值计算.计算结果表明:隔舌对叶轮内部流动的影响较大,靠近隔舌的3个流道内均存在不同程度的进、出口旋涡,进口旋涡从叶片吸力面处产生,方向与叶轮旋转方向相同,而出口旋涡在叶片压力面产生,方向与叶轮旋转方向相同;随着流量的减小,旋涡不断发展,尤其是隔舌所在流道,进、出口旋涡会堵塞整个流道,且蜗壳出口会出现流动分离,导致出流不均匀;对叶轮和蜗壳内各监测点进行快速傅里叶变换,发现叶轮内的主要脉动频率为轴频及其倍频,且脉动从吸力面到压力面、进口到出口均逐渐增大;蜗壳内主要脉动频率为叶频及其倍频,且越靠近隔舌脉动越大,在隔舌处达到极大值;各监测点的脉动强度随流量的减小而增强.     

多级离心泵内部级间影响及压力脉动特征

为了研究多级离心泵内级间相互影响及流道内的瞬时流动特征,对一两级泵内部流动进行了三维定常与非定常数值计算,获得并分析了不同流量工况条件下流道内各个监测点的压力脉动特征.研究表明:首级导叶的存在是导致次级叶轮入口截面上不均匀流动状态的关键因素;在每级叶轮的出口与导叶进口联结处均存在剧烈的动静耦合作用;尽管整体流道的几何形状复杂,叶片通过频率仍支配着该两级泵内全流道的特征压力脉动,而导叶叶片数对压力脉动特征的影响较弱;叶轮内与叶频对应的压力脉动幅值自叶轮进口到叶轮出口逐渐增大,且在叶轮出口处达到极大值,导叶中的相应变化规律则与之相反;偏离最优流量工况,叶频仍占据统治地位,但整个流道内的压力脉动幅值增大,该趋势在小流量工况下尤为明显.     

基于大涡模拟的离心泵蜗壳内压力脉动特性分析

为了研究由离心泵内部非定常流动引起的蜗壳流道内的压力脉动这一现象及其特性,针对带有三长三短叶片叶轮的离心泵,采用大涡模拟方法计算包括吸水室、叶轮和蜗壳全流道的流场,获得蜗壳流道压力脉动分布特性,并对其进行了频域和时域分析.结果表明：由于叶片和蜗壳的动静相干作用,蜗壳内的压力脉动比较明显;在设计工况下,叶轮与蜗壳交界面周向上的隔舌处脉动最大;蜗壳内各监测点压力脉动的主频都是长叶片的通过频率,次主频为叶片的通过频率;蜗壳流道不同断面上的压力脉动基本一致,而扩压管内的压力脉动要比螺旋段的更有规律性;设计工况下,蜗壳内压力脉动没有明显的高频成分.     

单、双出口双蜗壳泵的压力脉动及径向力特性

为研究两种不同双蜗壳型式离心泵的水力特性,采用RNG k-ε湍流模型和滑移网格技术,对单出口双蜗壳及双出口双蜗壳离心泵进行了不同工况下三维非定常湍流数值模拟,得到不同型式双蜗壳泵内压力脉动情况,同时对两种型式泵的径向力进行定常计算对比分析.结果表明:单出口双蜗壳泵内压力脉动高于双出口双蜗壳泵内的压力脉动;在设计工况和非设计工况下,两种型式泵的隔舌及出口处压力脉动的频率均以叶片通过频率为主;在小流量工况下,单出口双蜗壳泵的出口及隔板起始端位置处频率以叶轮转频为主;两种型式双蜗壳离心泵在不同工况下都能有效地平衡径向力,由于单出口双蜗壳泵内存在较为明显的压力脉动,导致其叶轮受到的径向力较大.     

不同空化工况下轴流泵装置压力脉动试验

为研究不同空化工况下轴流泵装置内部压力脉动特性,采用动态压力传感器对派河口泵站轴流泵装置模型的叶轮进口、叶轮出口、导叶出口3个压力监测点,分别在2.5、3.5、4.5、5.4m扬程和未发生空化、临界空化（泵装置效率下降1%）、深度空化（泵装置效率下降3%）等12种工况下进行了压力脉动试验。试验结果表明：叶轮进口处的压力脉动曲线为平滑的近似正弦曲线;叶轮出口处压力脉动曲线幅值最大,且只在高扬程、未发生空化工况下的一个旋转周期内表现出明显有规律的二次谐波特性;导叶出口的压力脉动时域特性与叶轮进口相似。快速傅里叶变换(FFT)结果表明：各监测点在各工况下的主频为叶片通过频率的整数倍频,同一扬程工况下,随着空化程度的加深,各监测点主频附近的谐频逐渐向低频段移动;导叶出口与叶轮进口受叶频影响较小,且表现出相似的频率特性。