叶轮口环间隙对井用潜水泵性能的影响

井用潜水泵的口环间隙大小对泵性能及流场具有较大影响,基于200QJ80-22井用潜水泵,通过CFD软件对泵全流场进行了数值计算,并与试验结果进行对比分析,研究了不同口环间隙大小对泵外特性和内部流场的影响.数值模拟结果表明,整泵的扬程和效率都随着间隙值的增大而减小,特别是口环间隙值增大到0.70 mm,减小更为明显,但功率变化较小.当间隙值达到1.00 mm时,效率从最高点的77.2%减小为68.7%,同时扬程也随之减小了约3.5 m.口环间隙为0.20 mm时,第一,二级叶轮前盖板腔体内以及叶轮出口与前盖板区域间产生回流,泄漏量较小,对叶轮进口流动和流场影响也较小,当口环间隙值增大至0.50 mm时,第一,二级叶轮前盖板腔体内以及叶轮出口与前盖板区域间回流逐渐消失,但更大的泄漏量冲击叶轮进口处,使叶轮进口过流面积减小,严重影响了泵的水力性能.     

口环间隙变化对高转速离心泵性能的影响

为了阐明口环间隙变化对高转速离心泵性能的影响,以一台转速n为38 500 r/min的离心泵为研究对象,基于泵几何参数,建立前、后口环间隙变化为0.01 mm的16种匹配方案,通过数值模拟方法预测了不同匹配方案下离心泵的性能.结果表明:当后口环间隙越小时,效率及轴功率对前口环间隙变化的敏感度越高;当前口环间隙越小时,效率及轴功率对后口环间隙变化的敏感度也越高;当前口环间隙一定时,随着后口环间隙的增大,扬程下降;当后口环间隙一定时,扬程随着前口环间隙的增大出现微小上升;无论是小间隙匹配还是大间隙匹配,前、后口环处泄漏量均随着流量的增大而减小;匹配的间隙值越大,对应模型的扬程及效率越低,功率越大,扬程随流量的变化越明显;口环内部水力阻力的形成主要是消耗了静压,液体通过口环后,其速度的变化并不明显;随着口环间隙的增大,在口环内同一位置处静压下降,动压上升.     

超低扬程贯流泵模型试验的压力脉动研究

为了研究在不同扬程和不同叶片安放角下超低扬程贯流泵内压力脉动的变化规律,结合某泵站,采用物理模型试验的方法,在模型泵转轮进口和导叶出口处安放两个压力脉动测点,通过时域和频域分析,对超低扬程贯流泵内的压力脉动进行研究。结果表明:超低扬程贯流泵内的最大压力脉动发生在转轮与导叶之间;转轮进口处,低于设计扬程时的压力脉动变化比高扬程时大;导叶出口处,高于设计扬程时的压力脉动变化比低扬程时大;由空化现象可以看出,叶片安放角对贯流泵内的压力脉动有很大的影响作用;转轮进口和导叶出口处的压力脉动均以BPF为主;在高扬程工况下,以1~2倍固有频率的低频压力脉动幅值随扬程增加而增大,低扬程工况下未发现这种现象。     

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.     

叶轮口环间隙对离心泵性能及流动特性的影响

为了研究不同叶轮口环间隙对离心泵性能及其流动特性的影响,以一台单级单吸离心泵为研究对象,开展三维数值计算和试验.在传统口环间隙范围内选取2个不同的值(0.25 mm和0.50 mm)并选取一个大于常规范围的值(0.75 mm),通过对比各个间隙下离心泵的性能和前腔的流动特性,获得了前口环间隙对离心泵性能及流动特性的影响规律.结果表明:随着叶轮口环间隙的增大,离心泵扬程随之减小,效率也随之降低;口环间隙为0.50 mm时叶轮所受的径向力最大,其次是0.25 mm,0.75 mm时最小;随着口环间隙的增大,口环圆周截面的总压分布更加均匀,与前腔相接的部位总压下降,与叶轮进口相接的部位总压上升;受口环及叶轮前盖板所产生的离心力影响,前腔内流体的径向分速度随口环间隙的增大而增大,前腔轴截面的涡量也随之增大,流线的形状更加流畅规则.     

离心泵叶轮出口宽度对泵腔内压力脉动分布的影响

在试验和数值模拟相互验证的基础上,开展叶轮出口宽度对离心泵泵腔内压力脉动分布影响的研究．通过试验和数值计算获得离心泵的外特性、泵腔内静压分布、泵腔内压力脉动分布及泵体表面的压力脉动幅值分布,并进行对比分析,结果表明：前泵腔内静压和压力脉动幅值随出口宽度的增大而增大,随半径的减小而增大;后泵腔内静压和压力脉动随出口宽度和半径的变化不十分明显．综合考虑外特性和压力脉动,在比转数 ns ＝97时叶轮出口宽度与叶轮出口直径之比应小于0.06;为了使压力脉动在泵腔内有效地衰减,出口宽度与前腔间隙的比值在1.81附近时最佳．研究结果可用于指导离心泵叶轮的优化设计．     

泵腔径向间隙对多级离心泵泵腔内部流场的影响

为研究泵腔径向间隙对泵腔内部流场的影响,更好地优化多级泵水力性能,选取某悬臂式多级离心泵为研究对象,应用计算流体力学(CFD)与试验相结合的方法对泵腔内部流场进行研究.k-ε湍流模型下的数值计算结果与多级泵外特性试验值吻合较好,说明应用数值计算对泵腔内部流场进行分析是可靠的.设计3种泵腔间隙方案,对比分析了泵腔内部切向速度分布及压力脉动情况.结果表明:随着测速点位置半径的减小,前泵腔切向速度逐渐增大,且液体旋转速度会超出叶轮旋转速度,而后泵腔中切向速度总体呈现逐渐减小的趋势;泵腔间隙区域及叶轮出口处压力脉动主要集中在0~1 680 Hz范围内,压力脉动主频均出现在1倍导叶叶频处,主频脉动幅值由首级向末级逐级递减;泵腔间隙区域压力脉动也受到叶轮叶片数的影响,次主频出现在1倍叶轮叶频处,且在其他叶频倍频处均发生压力脉动现象.     

轮缘间隙对轴流泵内部非定常流场的影响

为研究轴流泵轮缘间隙泄漏流的非定常特征及其对泵外特性的影响,采用基于S-A模型的DES方法和滑移网格技术,对轴流泵在设计流量下的内部湍流进行了数值计算,重点分析了4组轮缘间隙下泵内非定常流场特性及压力脉动特性.在设计轮缘间隙下,计算所得泵扬程和效率与试验数据吻合良好,最大相对误差分别为2.0%和3.0%.计算结果表明:随轮缘间隙增大,水泵扬程和效率均呈下降趋势;轮缘泄漏涡强度和影响范围随轮缘间隙增大而增大,当轮缘间隙为3.3‰D₂时,轮缘泄漏涡扩散至相邻叶片出口边;不同轮缘间隙下,叶轮区压力脉动频率均以叶频为主;靠近叶片进口的叶轮室内壁压力脉动幅值随轮缘间隙的增大呈减小趋势,叶轮室中部压力脉动随轮缘间隙增大而增大;叶轮出口断面的压力脉动频域特性在不同轮缘间隙下均以1倍叶频为主,脉动幅值随轮缘间隙增大而减小.     

叶顶间隙对斜流泵进口压力脉动影响的数值分析

由于叶顶间隙对斜流泵内外特性的影响甚大,因此在斜流泵设计时叶顶间隙的合理选取具有重要的工程意义.为了研究叶顶间隙大小对斜流泵进口压力脉动特性的影响,选取叶顶间隙分别为0,0.5,1.0,1.5 mm共4种设计方案的斜流泵为研究对象,基于SST k-ω湍流模型和LES大涡模拟方法,采用SIMPLEC算法与块结构化网格,在小流量工况下,对斜流泵内部流场进行三维非定常数值计算,并监测叶轮进口处压力脉动特性.计算结果表明:随着叶顶间隙的增大,斜流泵的扬程逐渐降低;叶顶间隙对斜流泵叶轮进口压力脉动的径向分布影响显著,叶轮进口主流区的压力脉动幅值较小,而近壁区压力脉动幅值较大;较大的叶顶间隙可以降低叶轮进口的压力脉动幅值,有利于改善模型斜流泵运行的稳定性.     

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％.     

叶顶间隙对轴流泵轮缘压力脉动影响的数值预测

为分析不同叶顶间隙下轴流泵轮缘区非定常流动特征,采用大涡模拟方法和滑移网格技术,对5种轮缘间隙下轴流泵设计工况的非定常湍流进行了数值计算,分析了间隙尺寸对泵外特性、轮缘泄漏涡形态及叶片近轮缘区压力脉动特性的影响。结果显示:叶顶间隙从0.001D2增加到0.003D2,泵扬程和效率分别下降6.2%和5.6%;间隙值大于0.001D2时,轮缘间隙主泄漏涡发展至相邻叶片正面,间隙区产生大量次泄漏涡;受泄漏涡影响,叶片正面中部近轮缘侧压力脉动幅值随轮缘间隙增加而增大;不同间隙尺寸下,叶片背面近轮缘处压力脉动主频均为叶轮转频fr,叶片正面对应点的压力脉动主频则随间隙变化存在明显差异。     

口环间隙对诱导轮离心泵空化流动和性能的影响

为了研究口环间隙对前置诱导轮离心泵空化性能的影响,基于RNG k-ε湍流模型和Rayleigh-Plesset方程均相流空化模型,以前置诱导轮离心泵为研究对象,选取口环间隙为0.15,0.25,0.40和0.60 mm这4种方案对其进行空化流动数值计算,并与试验结果对比分析.研究结果表明,口环间隙大小对诱导轮离心泵的外特性和空化性能影响较大,随着口环间隙的增大,总扬程效率和叶轮扬程效率均减小,与口环间隙为0.15 mm时相比,总扬程效率和叶轮扬程效率分别降低了0.60%和4.21%,效率分别下降了6.50%和9.32%;而口环间隙的增大使得诱导轮扬程和效率均增加,分别增大了29.86%和28.40%.另外,随着口环间隙的增大,空化性能曲线出现波动现象,间隙越大,波动越明显;离心泵主叶轮工作面靠近前盖板出现云状空泡分布,空化不稳定,间隙越大,空化越不稳定,临界空化数越大.经分析,引起空化不稳定性的因素可能有: 口环间隙出口处泄漏高压流体对主流的冲击;口环附近空化的发生以及诱导轮空化引起叶片出口液流角的变化.     

空化条件下离心泵泵腔内不稳定流动数值分析

为研究不同空化发展阶段离心泵泵腔内的流动情况及其对叶轮的影响,提出了一种泵腔区域的拓扑块生成和结构化网格划分方法。在充分考虑近壁区网格质量的基础上,采用SST k-ω湍流模型和Rayleigh-Plesset空化模型对设计工况下某离心泵进行了全流场空化数值模拟,并计算了3种有效汽蚀余量下泵腔内的非定常流动情况及其对叶轮的作用力。结果表明:空化造成泵腔内压力脉动的幅值增大,由于前口环的存在,其前泵腔内的压力脉动幅值大于后泵腔;空化的加剧造成泵腔内宽频脉动的增加,以轴频最为明显;空化的加剧不仅影响泵腔内的流态,同时也增大了设计工况下作用于叶轮上的径向力和轴向力。     

大型轴流泵装置模型试验的压力脉动

为了研究轴流泵内部压力脉动在不同叶片安放角度和扬程下的变化规律及特性,结合南水北调某新建泵站,采用物理模型试验方法,在叶轮进口、叶轮出口和出水流道壁面上布置了3个压力脉动测点,通过改变模型泵的扬程进行试验,采集了转轮模型叶片安放角为±4°及0°的压力脉动信号,并进行了幅值和频谱分析．结果表明,叶轮进口处比叶轮出口处压力脉动大;随着叶片安放角度的增大,3个测点的压力脉动均有所增加,但在叶轮进口和叶轮出口,增加幅度不大。在小扬程工况下,压力脉动的频率值仍以叶片通过频率为主;在高扬程工况下,低于1倍叶片通过频率的低频脉动会随着流量的减小,幅值越来越大,并占据主导地位．     

轴流泵内部压力脉动数值预测及分析

基于RANS方程和RNG k-ε模型,采用Ansys-CFX软件对轴流泵泵段进行了多工况三维非定常数值模拟,得到了不同工况下轴流泵内部不同监测点的水流压力脉动值,分析了轴流泵内部不同监测点水流压力脉动的变化趋势,并预测了叶轮进口前由于叶轮转动引起的压力脉动影响范围.通过与实测扬程和效率比较,表明了数值模拟方法的可行性及可靠性.研究结果表明:轴流泵内部压力脉动频率主要受叶轮转动频率控制,较大压力脉动发生在叶轮进口前;叶轮进口处压力脉动从轮毂到轮缘逐渐增大,叶轮出口处压力脉动从轮毂到轮缘先减小后增大,导叶后压力脉动从轮毂到轮缘先增大后减小;小流量工况及大流量工况下压力脉动幅值较最优工况大;受叶轮转动影响,叶轮进口前压力脉动影响至叶轮中心前0.7D左右.     

基于不等距叶片的串并联泵压力脉动

为研究叶片不等间距排布对串并联离心泵压力脉动的影响,基于转子自动平衡理论建立5种不等距叶轮模型.对比分析了不同方案下该泵的性能及压力脉动特性,以提高串并联离心泵的运行稳定性.结果表明:并联或串联运行时,在较小的最小角间距θ_min时,扬程和效率都有所下降,在最小角间距为56°或58°时,相比于叶片等间距(原始模型)布置时效率有所增大,其中效率的最大值都出现于最小角间距为56°时;不等距方案在435 Hz即1.5倍叶频处出现了新的脉动能量幅值,该能量幅值随着最小角间距的增大而逐渐减小,改善了脉动能量的集中分布;通过对蜗壳周向监测点压力脉动及主频脉动能量幅值的对比,在最小角间距为 56°时压力脉动幅值分布更均匀稳定,能量分布更加合理.     

平衡孔直径对离心泵叶轮进口流态的影响

为研究平衡孔直径对离心泵叶轮进口流态的影响,在降速后的IS80-50-315型离心泵上,用平衡孔直径d分别为0,4,6,8,10 mm的同一个叶轮,对离心泵的扬程、效率和轴功率进行预测,研究泵在设计工况、不同平衡孔直径时叶轮进口处速度矢量和压力的分布情况,并监测叶轮进口处的压力脉动特性.结果表明:加大叶轮平衡孔直径,泵的扬程与效率下降、轴功率提高,且在小流量工况下泵扬程变化更为明显;随着平衡孔直径的增大,平衡孔内液体流速减小,对叶轮进口流体的冲击作用逐渐减弱,叶轮进口处压力变得均匀,在一定程度上改善了泵的抗汽蚀性能;随着平衡孔直径的增大,叶轮进口主流区的压力脉动幅值减小,在一定程度上稳定了压力脉动幅值的变化,改善了其不稳定特性;平衡孔直径增大时,叶轮进口区平均静压变化逐渐稳定.研究成果为离心泵叶轮平衡孔直径的选择提供了参考.     

蜗壳隔舌安放角对中比转速离心泵性能的影响

为了研究不同隔舌安放角对中比转速离心泵性能的影响,以一台比转速为103的离心泵为研究对象,对5种不同隔舌安放角蜗壳式离心泵进行全流道的数值模拟,得到离心泵的内外特性和压力脉动。研究结果表明:隔舌安放角对外特性有显著影响,隔舌安放角过大,扬程和水力效率整体下降,存在一个最佳隔舌安放角使其扬程和水力效率最佳,且最佳效率点向大流量点偏移,同时随隔舌安放角的增大,蜗壳隔舌和出口处的压力明显增大,在34°时尤为突出,隔舌安放角对蜗壳的流线影响较大,隔舌安放角越小,蜗壳隔舌和出口处的流线越平顺光滑,当隔舌安放角增大到34°时,隔舌处出现明显的低速区。当隔舌安放角为22°时,各工况下的压力脉动幅值明显大于其他四种形式的蜗壳,且隔舌处的压力脉动幅值呈先增加后减小再增加的趋势,在28°时压力脉动幅值最小,出口处的压力脉动幅值呈先增加后减小的趋势。所以适当的增大隔舌安放角有助于改善离心泵蜗壳隔舌和出口处的压力脉动。     

不同航速下喷水推进器压力脉动分析

为了了解喷水推进器内部压力脉动特性,以对旋轴流式喷水推进器为研究对象,基于计算流体动力学CFD方法,采用雷诺时均法并引入SST k-ω 湍流模型使方程封闭,对喷水推进器进行设计工况下的非定常数值模拟.经网格无关性检验后,计算得到的推进器功率与扬程的设计值基本一致.在喷水推进器进水流道与首级叶轮之间、两级叶轮间隙之间、次级叶轮与导叶间设置监测点,监测不同位置的压力脉动数据,得到各监测点的时域图和频域图,并对各监测点的压力脉动特性进行对比分析.以设计工况下的喷水推进器相同位置处压力脉动作为参照,对比分析了不同航速下推进器各监测点处脉动分布情况.结果表明:推进器首级叶轮对其进口处压力脉动作用较大,次级叶轮对两级叶轮间隙处脉动影响较大;在低航速下,导叶对次级叶轮出口处脉动影响较大;沿轴线方向,喷水推进器两级叶轮间隙处脉动的幅值最大,在高航速下,次级叶轮出口处脉动幅值增大且变化剧烈.     

离心泵瞬态空化流动压力脉动及空泡形态

基于RNG k-ε湍流模型和改进的质量输运空化模型,数值模拟了离心泵内瞬态空化流动。数值计算得到的离心泵扬程随有效空化余量的变化与试验结果吻合较好,验证了数值模型和计算方法的准确性。在离心泵叶轮内叶片吸力面、流道中间及叶片压力面布置监测点,分析叶轮内压力脉动特性及瞬态空泡形态。结果表明:叶轮内压力脉动主频为叶轮转频及其谐频;在叶片吸力面,叶轮内压力脉动最大幅值在距进口4/5处最大,流道中间及叶片压力面,压力脉动最大幅值由进口至出口渐渐增大,在出口处最大。叶轮流道内空泡随时间经历发展、断裂、溃灭的周期性变化过程;空泡连续的大尺度再生和溃灭造成压力脉动幅值增大,附着型空泡导致压力脉动幅值减小。