导叶数对多级离心泵反转式透平性能的影响

为研究导叶数对多级离心泵反转式液力透平性能的影响,以多级离心泵反转式液力透平首级为研究对象,设计了3种叶片数的导叶及相匹配的环形蜗壳。利用CFX软件进行定常及非定常数值计算,获得模型泵工况、透平工况的外特性曲线和内流场分布,以及导叶、蜗壳的内部压力脉动数据,并进行分析。结果表明:导叶数越少的模型内部流动越均匀。7片导叶数模型的回收功率及效率均为最大,但导叶数越少的情况下,导叶及蜗壳处的压力脉动幅值也越大。当导叶叶片数大于等于9片时,模型内部的压力脉动幅值基本保持不变。     

含导叶的液力透平内部压力脉动特性

为了降低液力透平内部的压力脉动幅值,选择一单级离心泵反转作液力透平,首先在液力透平叶轮外径处设置一组负曲率导叶,采用试验测量的方法研究添加导叶后液力透平的外特性,之后利用Pro/E软件建立含导叶的液力透平的几何模型,采用SST k-ω湍流模型并利用CFD计算该模型在叶轮进口前有无导叶2种情况下液力透平各过流部件内的压力和压力脉动变化情况,并通过快速傅里叶变换将压力脉动的计算结果进行处理,分析各过流部件内的时域和频域分布.研究发现:在液力透平叶轮进口前添加导叶后,蜗壳内的压力脉动主频幅值以及最大脉动幅值均减小,且添加导叶后叶轮内的压力脉动幅值也降低;同时添加导叶后尾水管内液流流动稳定,且尾水管内无涡流产生,使尾水管内的主频幅值大幅度减小.因此在液力透平叶轮外径处设置导叶不但能改善液力透平的性能,还能有效地降低各过流部件内的压力脉动幅值.     

多级轴流泵内叶轮时序效应数值模拟

为研究多级轴流泵内转子时序效应对水泵性能影响,以首、次级叶轮相对角度θ为0°时作为基准,将次级叶轮沿叶轮旋转方向,每9°旋转为一个时序位置,在不同时序位置时用CFD方法对多级泵内流动进行三维非定常数值计算,并对不同时序位置处压力脉动以及叶片载荷分布进行分析.结果表明:以时序位置θ为0°的计算结果作为基准,时序位置θ为36°时泵扬程变化最大为4.6%,此时效率变化率达到1.2%;首级叶轮出口压力脉动幅值和相位受压力脉动影响有微小波动,其中首级叶轮出口压力脉动幅值最大减小16.31%;次级叶轮出口压力脉动幅值、平均时域值、相位都受到一定程度影响,此时压力脉动幅值最大增长48.27%,平均时域值增长1.34%;次级叶轮压力载荷分布,不同时序位置处载荷分布规律相同,时序位置为9°时的叶片上载荷分布明显高于其他时序位置时叶片上载荷分布.     

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.     

导叶与隔舌相对位置对离心泵非定常压力脉动影响的数值模拟

导叶叶片出口边与蜗壳隔舌的相对安放位置对单级离心泵水力性能影响较大,该问题在设计和安装过程中容易被忽略.为了研究时序效应对离心泵运行时非定常压力脉动的影响,首先通过试验测得离心泵外特性曲线,然后采用雷诺时均法对离心泵内部流场进行数值模拟,并将模拟结果与试验进行对比.结果表明,模拟值与试验值契合度较高.模拟结果显示时序效应对离心泵非定常压力脉动影响较大.当安放角度ψ为25°和41°时,叶轮及扩压器内部压力脉动较小,蜗壳内部压力脉动较大;当安放角度ψ为5°和59°时,蜗壳内部压力脉动较大,叶轮及导叶内部压力脉动较小.研究结果对导叶安装有一定借鉴价值.     

水泵水轮机泵工况的压力脉动特性

为研究水泵水轮机在水泵工况时不同操作条件下的水力不稳定性,应用计算流体动力学软件Fluent分别对水泵水轮机三维全流道的设计工况、大流量工况和小流量工况进行非定常计算,同时监测了蜗壳进口、转轮与活动导叶之间、转轮与顶盖之间以及尾水管处的压力脉动.结果表明:水泵水轮机在水泵工况下压力脉动幅值最大的位置位于转轮与活动导叶之间的无叶区,转轮与顶盖之间的压力脉动次之,而蜗壳和尾水管处的压力脉动则比较小;在设计工况下压力脉动幅值最小,并且越偏离最优工况压力脉动的幅值越大;位置不同,影响水力稳定性的主频也不相同,转轮与活动导叶之间压力脉动的主频为叶片通过频率,转轮与顶盖之间的压力脉动的主频为转频的倍数,尾水管处压力脉动同时受叶片通过频率和低频的影响,而蜗壳进口处的压力脉动则主要受低频影响.     

工质黏度对导叶式液力透平压力脉动特性的影响

为探究液力透平内压力脉动受工质黏性的影响,基于雷诺时均N-S方程和标准k-ε湍流模型,以带导叶的离心泵反转作液力透平为研究对象,选取清水及2种黏油作为对比工质进行三维瞬态数值模拟,并对模拟结果进行时域及频域分析.结果表明:清水工质下叶轮部分流道内存在和叶轮同向的非定常涡,而黏油工质下叶轮及尾水管内流场结构显著改善,黏性作用下,动静叶栅的相干作用仍是透平内压力脉动的主因.导叶内的平均压力脉动最强,叶轮内次之,尾水管内相对最弱,且此规律不受工质黏度影响.随着工质黏度的增大,各监测点的压力脉动峰峰值及最大压力脉动幅值均减小,且与导叶、尾水管内各测点主频及次主频幅值的变化趋势均同步,而与蜗壳、叶轮内各测点主频及次主频幅值的变化趋势差异较大,但与二者之和趋势吻合.同时,工质黏度越大,蜗壳、导叶和叶轮内各测点的时均静压越低.     

液力透平变工况瞬态特性的数值分析

为了研究液力透平变工况时的瞬态特性,基于雷诺时均Navier-Stokes方程和标准k-ε湍流模型,对液力透平内部流场进行全三维非定常数值模拟,获得了变工况下液力透平内部流场的瞬时压力脉动、轴向力和径向力的变化规律.结果表明:变工况条件下,液力透平内部的瞬时压力脉动更为明显,小流量工况时静压力虽小,但压力脉动幅度最大,大流量工况的压力脉动幅度次之,最优工况时的压力脉动幅度最小;转轮进口动静耦合面处各个位置的压力脉动幅度与所处的位置有关,蜗壳环形出口位置的压力脉动较大,隔舌处压力脉动较小,压力脉动幅度随着流量的增大而增大;转轮进口动静耦合面和进出口的压力脉动主频等于叶频(转动频率与叶片数的乘积);液力透平在各个工况下均有径向力和轴向力存在,变工况下瞬时径向力的矢量分布近似圆形,瞬时轴向力在一个周期内变化趋势为先减小后增大,且存在最小值区域;流量越大,径向力和轴向力越大.     

交错叶片对双吸离心泵蜗壳流道压力脉动影响数值分析

压力脉动是引起离心泵机组振动和噪声的关键因素之一,严重影响机组安全稳定运行。采用ANSYS Fluent软件分别模拟某大型双吸离心泵在叶片交错0°、15°和30°时的流态,分析了叶片交错角度对双吸泵水力特性和蜗壳流道压力脉动的影响规律。结果表明:叶片交错角度对双吸离心泵水力性能影响极小;采用两侧叶片交错布置的双吸叶轮能有效降低压力脉动;随着交错角度的增大,压力脉动幅值呈递减趋势;叶片交错布置时蜗壳流道叶频脉动显著减弱,脉动主频由叶频向叶轮转动频率转移。     

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。     

诱导轮对紧凑型磁力泵压力脉动的影响

为了探究诱导轮对紧凑型磁力泵压力脉动的影响,在叶轮和蜗壳流域内设置9个监测点,通过CFD非定常数值模拟,依据在叶片进口处是否前置诱导轮,分别得到叶轮、蜗壳流域的压力脉动时域图和频域图,并对脉动特性进行对比研究.研究结果表明:前置诱导轮后在第一个叶片通过频率内脉动幅值低于未安装诱导轮时的幅值;在有诱导轮的情况下,叶片进口附近区域脉动幅值比未安装诱导轮时有较大提高;在蜗壳流域内,前置诱导轮后,蜗壳隔舌处压力脉动变化规律及幅值发生明显改变,且减小了叶轮叶片扫掠过隔板起始位置形成的射流尾迹对压力脉动的影响.因此,前置诱导轮在一定程度上有利于泵的安全运行与降低紧凑型磁力泵内的振动.     

导叶叶片数对多级离心泵压力脉动的影响

为了研究叶轮叶片数与导叶叶片数有无最大公约数对多级离心泵内部压力脉动的影响,在保证设计点外特性基本不变的前提下设计了4种不同叶片数的导叶,基于标准k-ε方程,应用CFX软件对M120多级离心泵的设计点工况进行定常和非定常计算,得到次级泵体叶轮和导叶内各监测点的压力脉动时域图和频域图.结果表明:数值模拟结果与外特性试验结果相吻合,证实了数值模拟的可行性.叶轮与导叶叶片数存在最大公约数的匹配方式对多级离心泵内部静压分布有影响,主要表现为正导叶进口边周向压力分布呈现周期性分布规律.导叶内部压力脉动主要受叶轮叶片数的影响,叶频在流动诱导振动中起主导作用.导叶叶片数对多级离心泵内部压力脉动影响较大,导叶内部压力脉动幅值随导叶叶片数的增加而增大.     

余热排出泵内部压力脉动特性分析

为了研究余热排出泵内部压力脉动特性,基于ANSYS CFX软件,采用SST湍流模型,对模型泵进行三维非定常数值模拟,得到了余热排出泵的水力性能,并与试验结果进行对比,计算了泵内不同位置的压力脉动情况,对计算结果进行了时域和频域分析.研究结果表明:叶轮与导叶内的压力脉动均呈现周期性变化,叶轮内周期为7,压力脉动与导叶叶片数密切相关,导叶内周期为5,压力脉动与叶轮叶片数密切相关;叶轮进口、中间流道、叶轮出口的压力脉动系数幅值分别为0.018 23,0.106 76,0.177 51,压力脉动信号逐渐增强,导叶进口、中间流道、导叶出口的压力脉动系数幅值分别为0.095 56,0.076 02,0.012 44,压力脉动信号逐渐减弱;叶轮内监测点的主频均为7f_p,压力脉动主要由转频决定,从叶轮进口至出口导叶的影响程度逐渐增强,导叶进口主频为15f_p,中间流道和出口主频为5f_p,导叶内压力脉动主要由叶频决定,沿流道至出口叶轮的影响逐渐削弱;蜗壳监测点主频为35f_p,压力脉动主要由叶频决定,且与导叶叶片数相关.     

导叶对液力透平性能影响的数值分析

为研究导叶对液力透平运行性能的影响,采用CFD软件对无导叶和导叶数为7,9,11的4种液力透平进行数值模拟,分析了有、无导叶及不同导叶数对透平运行稳定性的影响,得到透平运行的外特性曲线. 结果表明,添加导叶可以提高液力透平的效率且效率随导叶片数增多而提高,较无导叶时透平最高效率点的流量增加、压头降低. 内流场分析表明,添加导叶后叶轮流道内的速度分布得到明显改善,其内部区域的旋涡数量减少、旋涡尺寸明显变小;压力分布均匀、梯度较为明显,且随导叶数的增加叶轮的进口静压逐渐增大. 叶轮进口速度矩分析表明,速度矩在有导叶时变化幅度变小,在叶轮进口环面上变化较平稳且分布对称,导叶数为11时其变化幅度值最小. 研究结果表明,透平添加导叶改善了叶轮的入流条件,提高了液力透平运行的稳定性能.     

非定常工况下不同导叶叶片数对潜水泵内部流场的影响

为了研究不同导叶叶片数对潜水泵内部流动和非定常特性的影响，以典型QJ型潜水泵为研究对象，在保证导叶基本参数不变的情况下，建立导叶叶片数为6、7和8的3种不同方案，基于RNG k-ε湍流模型对不同导叶叶片数下潜水泵进行定常及非定常计算。结果表明:导叶叶片数变化对潜水泵外特性曲线影响不大；导叶叶片数变化对叶轮进口和导叶出口两位置的压力脉动影响不大，对叶轮与导叶空腔间的压力脉动影响显著，其幅值随叶片数的增多而增大，8叶片时压力脉动幅值最大。      

叶片包角对水轮机模式多级液力透平性能的影响

为了研究叶片包角对水轮机模式液力透平性能的影响,以1台二级透平为研究对象,分别设计转轮叶片包角为20°,30°,40°和50°,采用Fluent软件进行数值计算.结果表明:叶片包角对透平水力性能影响显著,随着包角的增大,透平水头逐渐升高,效率先增大后减小,设计工况下,当包角为30°时效率最高,达到80.24%.受一级转轮出口负环量的影响,二级转轮进口环量低于一级转轮进口环量,从而导致二级转轮效率比一级转轮效率低.通过对其压力脉动特性分析发现,转轮内的压力脉动较其他过流部件脉动强度大,二级转轮内的压力脉动最强,适当的包角取值能够降低各过流部件的压力脉动幅值.针对包角为30°的透平进行试验,数值计算结果与试验结果性能曲线变化趋势一致,验证了数值模拟结果的准确性.     

不同流量工况下混流泵压力脉动试验

为了研究混流泵叶轮和导叶非定常时序干涉引起的压力脉动特性,通过试验对混流泵泵体关键测点进行了压力脉动测量,分析了不同流量工况下叶轮进口、叶轮中部、叶轮出口、导叶进口、导叶出口以及装置出口等位置压力脉动的时域和频域响应。研究结果表明:叶轮旋转周期较大程度影响了叶轮进口、叶轮中部监测点的压力脉动,脉动曲线出现了与叶轮叶片数相一致的4个波峰和4个波谷,压力脉动主频为叶轮叶片通过频率;叶轮和导叶的动静干涉作用使得叶轮出口和导叶进口监测点压力脉动在小流量工况下分别出现7~12个波峰和波谷,压力脉动频谱范围变大,分频成分增多,主频随着流量减小向高频方向偏移,动静干涉诱导的流体激振以及噪声等高频成分出现并逐渐增多。叶轮中部监测点的压力脉动幅值最大且对流量变化最敏感,远离叶轮区各监测点的压力脉动受流量变化的影响较小。     

异常低水头对水泵水轮机压力脉动的影响

为研究水泵水轮机在异常低水头时的压力脉动特性,采用Realizable k-ε湍流模型对水泵水轮机运行于低水头的4个工况点进行了非定常数值计算,得到了蜗壳进口、导叶后转轮前、尾水管的锥管上游和肘管内侧4个监测点的压力信号,并与试验结果进行对比.重点考察了导叶开度37 mm、单位流量0.865 m³/s工况点的压力脉动时域和频域特征.研究结果表明:在异常低水头下,Realizable k-ε湍流模型能够精确地模拟大开度时水泵水轮机的压力脉动;蜗壳入口的压力脉动比较紊乱,在机组刚开启阶段脉动值较大,蜗壳进口压力脉动主频为转频19.78 Hz,说明在此工况下水泵水轮机蜗壳进口的压力脉动受到下游转轮转动的影响;导叶与转轮之间无叶区的压力脉动受到转轮与活动导叶之间的动静干涉作用,呈周期性变化且其主频为叶片通过频率;由于尾水管内部流动及涡带的作用,尾水管内的压力脉动为低频脉动,其主频约为0.35倍转频.     

导叶进口边相对位置对混流泵压力脉动的影响

以混流泵作为研究对象,探究导叶进口边的相对位置对混流泵水力性能及内部压力脉动的影响.基于ANSYS CFX软件并采用k-ω湍流模型进行了定常和非定常计算.通过改变导叶进口边的相对位置,利用数值模拟来预测混流泵的水力性能,并选取了4个方案,对混流泵的压力脉动进行了频谱分析.结果表明:随着叶轮出口边与导叶进口边的夹角α增大,混流泵的水力性能先增大后减小,在α=5°时,混流泵的水力性能达到最优.α的变化对泵内部的压力脉动幅值波动大小有影响,α越大,泵内部的压力脉动越小.α的变化会影响泵内部的压力脉动主频幅值.在叶轮进出口处,α越大,主频幅值越小,而在蜗壳内部,则无明显规律.随着α的增大,在蜗壳内靠近隔舌位置的压力脉动,受叶轮旋转作用的影响变小,受隔舌的影响作用变大.研究结果可为混流泵的导叶优化设计提供一定的参考.     

导叶式离心泵内部流场数值模拟与试验

导叶式离心泵应用范围越来越广泛,迫切需对其稳定性运行及内部非稳态流动机理等相关问题进行探讨与研究。结合数值软件ANSYS-CFX与试验方法,基于SST k-ω湍流模型对导叶式离心泵内部非定常流场进行数值分析,并采用试验方法对其压力脉动特性进行研究,探讨不同流量工况下,压力脉动特性与非稳态流场分布规律。结果表明:导叶进口处压力脉动高于导叶出口处,而蜗壳隔舌处脉动强度小于其出口处;叶轮内压力分布主要受叶轮-导叶动静干涉作用影响;导叶内压力分布同时受动静干涉作用和蜗壳不对称几何形状影响;因叶轮出口尾迹流-射流影响,叶片出口附近出现吸力面静压大于压力面;由于导叶前缘与叶轮尾缘的影响,导叶叶片进口处压力分布极其复杂,规律性较差。