基于CFD的双螺杆膨胀机瞬态特性

为研究双螺杆膨胀机的瞬态特性,以4/6齿双螺杆空气膨胀机模型为研究对象,使用SCORG和Pumplinx软件对膨胀机内部流体域以及进出口处流体域进行静止网格和动网格的划分.采用CFD分析方法对膨胀机进行全流场瞬态数值模拟,得到双螺杆膨胀机内部的压力场和速度场以及不同转角下流量、扭矩和转子的受力情况. 结果表明:膨胀机内部流体域从进口高压端至出口低压端可区分为4个压力等级,且从进口端到出口端压力逐级递减,而阴、阳转子接触线将螺杆流域分为上高压区和下低压区;内泄漏主要包括径向间隙泄露、齿间间隙泄漏和泄漏三角形这3种泄露方式,三者中齿间间隙泄漏的速度最大.整个流场中的最高流速和最低压力均出现在接触线附近;吸气阶段的节流损失和预膨胀带来的压降损失使阳转子对外做功能力下降,并使螺杆膨胀机效率降低;流量、扭矩、径向力和轴向力呈周期性变化,阳转子所受径向力对螺杆膨胀机工作性能影响最大.     

齿间间隙对双螺杆透平泄漏影响的数值模拟

为降低泄漏流对双螺杆液力透平效率的影响,以2/3齿双螺杆泵透平为例,根据双螺杆泵内齿间间隙的构成原理,首先建立其简化几何模型,利用透平腔内存在相对运动引起的剪切流动与各级腔室压差导致的压差流动理论,建立起齿间泄漏通道的数学模型.使用SCORG和Pumplinx软件对双螺杆液力透平进行全流场数值模拟,得到了双螺杆透平不同齿间间隙下的流场分布和流量变化规律.研究结果表明:不同间隙下螺杆的压力分布规律保持基本一致,每个密封腔室内的压力分布基本均匀,从进口到出口各相邻腔室的压力呈线性下降趋势;螺杆在齿间间隙附近出现多处泄漏通道,在各腔室压差的作用下,第一级腔内没有出现明显的高流速区域,从第二级腔内开始发生明显的高速泄漏;随着齿间间隙的不断增大,同一级腔内的齿侧间隙泄漏面积、泄漏速度以及流体从进口到出口的泄漏流量和容积损失都随之增大,当齿间间隙为0.04,0.08,0.12,0.16和0.20 mm时,由该间隙所造成的容积损失的值分别为4.03%,4.57%,5.00%,5.43%和5.72%.     

双螺杆泵多点啮合型转子设计与内部流动特性

针对传统双螺杆泵螺杆转子螺旋面啮合区磨损严重、内泄漏大等问题,根据啮合原理,建立椭圆弧及其共轭曲线的啮合模型,构建传动比为2∶3的主从螺杆端面型线,提出一种新型多点啮合型螺杆转子结构.应用计算流体动力学方法对新型双螺杆泵内部流场进行数值计算,研究了泵内部流动特性.研究结果表明:所提出的新型螺杆转子在轴截面上可实现三点啮合,在双螺杆转子上形成多重密封;采用V形凹槽的主螺杆转子齿顶压力分布均匀,采用传统结构的从螺杆转子齿顶处压力分布呈阶梯状;从螺杆转子周向啮合间隙处泄漏速度为主螺杆转子的1.8倍,表明主螺杆转子齿顶V形凹槽两侧的光滑顶棱与泵腔内壁面形成的类迷宫密封可有效减小周向啮合间隙处的泄漏;新型螺杆转子较大改善转子的磨损适应性,有效减小了双螺杆泵的内泄漏,对提高双螺杆泵的高压环境适应能力具有重要意义.     

离心泵平衡孔和背叶片对轴向力特性影响

为研究平衡孔和背叶片对低比转数离心泵轴向力特性的影响,选用一台IS80-50-315型离心泵为研究对象,分别对只有平衡孔、只有背叶片及二者皆有、皆无4种方案进行试验与数值分析.结果表明,背叶片对泵水力性能的影响大于平衡孔,且对泵能量损耗起主导作用.在额定工况下,前泵腔内液体压力沿径向具有“阶梯型”变化规律,后泵腔内液体压力近似线性增大,平衡腔内液体压力随流量变化几乎呈直线分布趋势;同一台试验泵中,平衡孔对前泵腔和平衡腔内液体压力影响更大,背叶片对后泵腔内液体压力降低效果更佳.叶轮加背叶片后所受扭矩明显增大,仅有平衡孔时扭矩稍有增加.全流量工况下平衡孔对轴向力的平衡能力优于背叶片;两者共同存在时,平衡轴向力效果最差.     

基于流体力学泄漏模型的螺杆泵泄漏机理分析

针对螺杆泵筒壁间隙、啮合间隙等决定螺杆泵性能的关键间隙设计问题,在研究螺杆各项间隙构成原理的基础上,运用流体力学间隙泄漏理论,建立泵腔间隙泄漏压差流和剪切流模型,分别分析螺杆泵筒壁间隙和啮合间隙的泄漏量,得到螺杆泵不同间隙泄漏的表达式。以主动螺杆2头、从动螺杆3头的双螺杆泵为例,通过理论计算与试验对比分析了螺杆转速、压差对泵泄露的作用机理,揭示了螺杆转速、泵进出口压差对螺杆泵流量特性及容积效率特性的影响规律,从而完善了螺杆泵转子设计理论,提升了螺杆泵输送性能。     

高压渐开线内啮合齿轮泵轴向泄漏分析

为研究高压渐开线内啮合齿轮泵的内泄漏,尤其是轴向泄漏问题,对齿圈与泵体间隙处的轴向泄漏通道进行分析,并建立相应的简化模型,应用Fluent软件计算得到通道内压力沿周向分布的规律,采用所得公式与参数对轴向泄漏进行计算分析,并通过试验进行验证.研究结果表明:高压渐开线内啮合齿轮泵在采用间隙补偿机构时,进出油方式由轴向变为径向,从而导致了轴向泄漏;轴向泄漏与其他途径的泄漏相比更大,是影响该结构泵容积效率的主要因素,轴向泄漏的大小主要取决于齿圈与泵体公差的选择,配合间隙越大,轴向泄漏越大;同时,轴向泄漏也受齿圈偏心率的影响,泄漏量随偏心率的增大而减小.经分析得知,为保证泵在高压下能够保持一定的容积效率,在设计时需要严格控制齿圈与泵体双边间隙的上限值.同时,通过合理的径向力平衡设计控制偏心方向,可以有效利用高压下偏心率的变化缓解一部分轴向泄漏.     

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.     

平衡鼓间隙对多级泵后腔压力及轴向力的影响

为研究多级离心泵平衡鼓径向间隙尺寸变化对末级叶轮后泵腔压力及轴向力的影响,基于SST k-ω湍流模型,应用Fluent软件分别对节段式多级离心泵进行数值计算,分别模拟平衡鼓径向间隙为0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5 mm的6种设计工况下,平衡鼓径向间隙尺寸对多级泵效率及平衡鼓轴向平衡能力的影响.计算结果表明,随着平衡鼓间隙增大,末级叶轮后泵腔内流体压力沿径向逐渐增大,后盖板外壁面压力分布不均匀;末级叶轮后泵腔中心截面压力呈平衡鼓间隙越大,后泵腔压力取值整体减小趋势,其压力幅值呈先减小后增大的趋势;末级叶轮所受轴向力在间隙为0.3 mm时最小;多级泵的效率随着平衡鼓间隙泄漏量的增大而降低,当泄漏量q>0.887 kg/s,效率降低明显.     

离心泵泵腔轴向间隙对平衡腔压力和泄漏量的影响

针对不同泵腔轴向间隙对平衡腔和泄漏量的影响,采用RNG k-ε湍流模型,对IS80-50-315型单级单吸悬臂式离心泵后泵腔间隙分别为1,4,8,12,16,20 mm的全流道模型进行数值计算,分析了不同间隙下平衡腔液体压力的分布规律和泄漏量的变化情况,得到了与泵腔阻力系数、密封环阻力系数和平衡孔阻力系数相关的速度系数与隙径比的关系曲线和泄漏量计算公式,可用于试验中对0.006~0.127的全流道速度系数进行预估和不同泵腔轴向间隙的泵腔流道液体泄漏量的求解.研究结果表明:后泵腔轴向间隙增大,平衡孔进口处平面和闷盖壁面压力随之升高,这个变化在轴向间隙为4~16 mm时较为明显,而在泵腔间隙取最大值12 mm和最小值1 mm时压力改变较小;同一工况下的泵腔流道泄漏量随后泵腔间隙的增大而上升,而对于同一泵腔间隙,泵腔流道泄漏量在0.8Q_d时最大,1.2Q_d时最小,即泄漏量随流量的增大而减小.     

叶轮背叶片对离心泵轴向力影响的试验及分析

为了研究叶轮背叶片对离心泵轴向力特性的影响规律,以降速后的IS80-50-315型离心泵为研究对象,通过改变背叶片的宽度和数目,共设计出13种叶轮背叶片方案,并经过试验测试获得背叶片宽度和数目对泵性能、泵腔内液体压力及轴向力的影响规律.研究表明,当背叶片数目不变时,随着背叶片宽度的增大,试验泵的扬程和轴功率均增大,泵的效率逐渐降低;当背叶片宽度和数目增大到一定值时,轴向力的方向会发生改变,这将影响整机运行的稳定性.从平衡离心泵轴向力的角度出发,分析得出背叶片宽度t=3.5 mm、数目Z=5为最佳方案,此时轴向力方向为正、变化幅度较小.对比分析3种背叶片数目下,背叶片端部和泵盖的间隙δ与轴向力系数c_F关系曲线,得出间隙δ越小,背叶片平衡轴向力效果越显著.该研究成果为工程实践中背叶片的设计提供了理论依据.     

叶轮前盖板与泵体轴向间隙对轴向力的影响

为了研究一种新型结构的离心泵叶轮前盖板与泵体轴向间隙对轴向力的影响,首先采用传统理论计算方法得到泵的轴向力,然后基于CFX软件,采用RNG k-ε湍流模型和高阶算法,对离心泵进行全流场数值模拟.通过改变叶轮前盖板与泵体轴向间隙方法,获得泵设计工况下的外特性、轴向间隙之间静压变化及转子部件轴向力,研究泵外特性、轴向力随叶轮前盖板与泵体轴向间隙的变化情况和变化规律.通过数值模拟计算研究表明:在设计工况下,随着离心泵叶轮前盖板与泵体间隙的增加,泵的扬程和效率逐渐减小;叶轮、背叶轮和副叶轮内的静压变化很小,叶轮前盖板与泵体轴向间隙内的静压变化明显;泵的轴向力先增大后减小.扬程数值模拟和试验结果误差为0.84%,轴向力理论计算和数值模拟的最大误差不超过5.75%,说明数值模拟的方法验证了用经验公式计算新型泵所受轴向力的准确性.     

能量回收液力透平的研究现状及展望

能量回收液力透平技术的发展与应用对节能减排有重要意义.液力透平在石油、化肥等行业应用广泛,但存在设计理论与方法不完善、运行不稳定等问题,因此亟须开展相关研究.介绍了能量回收液力透平的工程应用、透平结构形式、能量回收装置形式,提出液力透平主要有反转泵式、冲击式、导叶式和专用液力透平,能量回收装置形式分为直驱式和辅助式.综述了近年来国内外取得的相关研究成果,探讨了能量回收液力透平的选型计算、优化设计、转速稳定性控制、力特性及结构强度、透平速度滑移现象.对能量回收液力透平技术研究的未来发展进行了展望,明确提出未来的重点方向是:采用新的理论与方法研制适用于各种特殊工况的液力透平,提高透平的效率;正确配置能量回收设备及系统参数,保证液力透平转速稳定性;在运行工况偏离设计点时,选择合理的调节方式充分回收余压能.     

液环泵叶片轴向叶顶凹槽间隙流场及其性能

为改善液环泵轴向叶顶间隙泄漏流场结构,提升液环泵水力性能,提出液环泵叶片轴向叶顶凹槽结构设计,以2BEA-203型液环泵为研究对象,采用数值模拟方法分析液环泵叶轮轴向间隙泄漏流动及其与主流的相互干扰作用,对比分析凹槽叶顶与平顶间隙泄漏流动及其性能.分析结果表明,液环泵内流动呈现复杂的三维结构,凹槽型叶顶间隙能够在一定范围内提升液环泵的效率及真空度,在大流量点0.07 kg/s时的吸入真空度相对平顶型叶片提升5.26%,其他各流量点真空度及效率也略有提升;凹槽型间隙除在凹槽内产生凹槽涡及凹槽角涡外,在叶片压力面叶顶处角涡及叶片吸力面后方的泄漏涡结构与叶片平顶型间隙基本相似.轴向叶顶压力面附近角涡及吸力面后方的泄漏涡强度由轮缘到轮毂逐渐增强,凹槽型轴向叶顶能够在一定程度上减弱角涡及泄漏涡量的分布;在气相分布区域,叶顶间隙泄漏涡强度明显高于液相分布区域.由于凹槽的缓冲作用,使得间隙内及叶片吸力面后方的泄漏流速、湍流强度及总压损失均有一定程度的减小,达到提升泵的吸入真空度和效率的目的.     

配合间隙对直线共轭内啮合齿轮泵流场特性的影响

直线共轭内啮合齿轮泵是液压系统中的关键组件,因其高效的压力输送特性而广泛应用于工程领域。本文采用计算流体动力学模拟方法对直线共轭内啮合齿轮泵进行研究,分析轴向间隙和径向间隙对齿轮泵泄漏和流场的影响。研究结果表明：配合间隙的变化对齿轮泵的流场特性产生广泛影响,轴向间隙是引发泄漏的主要因素,约占总泄漏量的80%;当轴向间隙由0.03 mm增加到0.07 mm后,输出流量减少20.81%,平均压力下降33.15%,空化产生的气体体积分数增加0.021;而设置相同径向间隙后,输出流量仅下降0.69%,平均压力下降2.76%,空化产生的气体体积分数增加0.005。此外,导致泵内流速变化的主要配合间隙是轴向间隙,适当减小轴向间隙可提升泵内的流体速度,从而提升泵的整体效率。     

核主泵密封间隙对轴向力影响的敏感度分析

为了揭示密封间隙几何参数对核主泵轴向力的影响规律,基于DDES湍流模型,对不同几何参数组合的核主泵密封间隙进行了数值分析,研究了后密封间隙和长度对核主泵轴向力的影响,获得了额定工况下若干几何参数对核主泵轴向力的定量关系.结果表明:叶轮后盖板外侧轴向力分量F4对后密封间隙和后密封间隙长度敏感度较为显著,而后盖板外侧轴向力分量F4跟流入后泵腔流体的上限压力值密切相关.随着后密封间隙值的增大,流体流经间隙的水力损失逐步减小,流出间隙液流在后泵腔中的压力上限值逐步增大,因此其作用于后盖板压力增大,使总的轴向力在不断增大,即密封间隙对轴向力的敏感度降低,密封间隙在0.3～0.6 mm时,密封间隙对轴向力影响较为显著.而随着密封间隙长度增加,流体经间隙的水力损失增加,流出间隙流体在后泵腔中的压力上限值减小,因此其作用于后盖板的压力减小,总轴向力减小,即密封间隙对轴向力影响的敏感度增强.     

离心泵泵腔流道液体泄漏量试验与计算方法

设计了针对泵腔流道液体泄漏量测量的专用试验装置,采用改变叶轮轴向位置(即改变泵腔轴向间隙)来改变隙径比的方法,在间隙为0.2 mm、0.3 mm,长度为15 mm密封环条件下,对隙径比为0.127、0.101、0.076、0.051、0.025、0.006的泵腔流道的进出口液体压力和液体泄漏量进行了测试及分析,并提出了泵腔流道液体泄漏量计算公式及其速度系数的确定方法。结果表明:不同隙径比的泵腔流道液体泄漏量系数与压力系数的变化很有规律性,其关系曲线几乎是一些斜直线,但隙径比和密封环间隙对其有较大影响;在泵结构不变情况下,只减小泵腔轴向间隙就能有效地减少液体泄漏量,提高泵容积效率,泵腔轴向间隙最佳取值范围为1~5 mm。     

离心泵叶轮平衡孔液体泄漏量特性试验

在3BA-6型单级单吸离心泵上,通过更换不同直径平衡孔叶轮的试验,测量了叶轮后密封出口压力、泵进口压力,得出了平衡腔内液体压力、泵进口压力与泵扬程的试验曲线。据此计算得到了平衡孔液体泄漏量特性曲线。在设计工况下,比较分析了当平衡孔直径不同时平衡孔液体泄漏量理论曲线与试验曲线。实测泵轴向力曲线表明依据平衡孔泄漏量特性曲线计算得到的轴向力曲线,可以满足工程计算需要。     

不同叶顶间隙下的轴流泵内部流场数值计算

基于标准k-ε双方程湍流模型和SIMPLEC算法,采用结构化网格技术,对轴流泵分别为0.15,0.50,1.00,2.00 mm的叶顶间隙进行了多工况数值模拟,讨论了不同叶顶间隙大小对泵性能的影响,并分析了叶轮出口轴面速度、出口环量的分布以及叶顶泄漏流和泄漏涡随叶顶间隙的变化情况.数值计算结果表明,当叶顶间隙超过0.50 mm时,泵性能下降的幅度明显增大;叶轮出口轴面速度在轮毂壁面和叶顶间隙处减小,而环量增加;叶顶间隙越大,轴面速度和环量受泄漏流的影响越大;通过数值模拟捕捉到不同间隙下叶顶泄漏流和泄漏涡,分析得出泄漏涡是由于泄漏流与主流发生卷吸作用而形成的,且泄漏涡在流道内的运动轨迹与叶顶间隙大小关系密切.     

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。     

带凹槽新型平衡鼓的设计与研究

针对高扬程农用多级泵,提出了一种带凹槽结构的新型平衡鼓,理论分析了该结构对降低平衡鼓间隙泄漏以及提高平衡鼓平衡能力的影响.利用CFD软件模拟分析了传统平衡鼓和带凹槽平衡鼓在相同工况下间隙处的流动情况及平衡鼓两侧的压差情况.通过离心泵轴向力试验装置,对采用不同平衡鼓时,试验装置的效率、扬程以及止推轴承处所受轴向力的大小进行了对比分析.研究结果表明:带凹槽新型平衡鼓结构增大了平衡鼓与平衡鼓套间隙处的阻力,减少了间隙处的泄漏量,提高了泵的效率;增大了平衡鼓两侧压差,有利于平衡鼓平衡轴向力.