核电站离心式上充泵多工况水力设计

离心式上充泵为多级双壳体结构,根据核电站系统要求,其水力性能需同时满足5个工况点.为实现上充泵多工况水力设计,在系统总结离心泵非设计工况研究进展的基础上,提出了多种叶轮水力设计方案优化组合与叶轮多工况水力设计相结合的技术,并进行了上充泵多工况水力设计实践.利用多级离心泵叶轮组合原则对上充泵所要求的多工况点进行拆分,得到不同叶轮性能曲线优化组合设计方案,分别进行首级叶轮、2-4级叶轮和5-12级叶轮水力设计.按照设计方案制造4级泵样机（转速2 950 r/min）,并进行性能试验.试验结果换算到4 500 r/min与规定值对比表明,有4个工况点满足要求,大于规定值2.6%;仅最大流量工况扬程偏低,低于规定值11.8%,实现了多工况水力设计目的.     

叶轮进口边位置对深井离心泵水力性能的影响

针对一典型的150QJ20型深井离心泵,设计了3种进口边位置的叶轮,基于Fluent软件,采用标准k-ε模型、SIMPLEC算法对其进行了全流场数值计算,对不同进口边位置的叶轮出口断面的压力场、湍流场和速度场进行了比较,并结合试验分析了进口边位置对深井离心泵水力性能的影响。结果表明,适当延伸叶轮进口边,增加后流线的长度,可以减小叶轮出口的湍流强度,改善流场分布;可以相对减小叶轮进口直径和叶轮进口的冲击损失,提高深井离心泵的水力性能。     

离心泵复合叶轮短叶片偏置设计研究

对离心泵叶轮进行偏置短叶片设计既能够避免叶轮进口过度排挤，又能够解决叶轮出口流道扩散严重的问题，因而是改善低比转速离心泵性能的有效方法。为了研究短叶片水力设计方法，首次提出了以叶轮流道内不出现回流区域为目标建立的叶片数计算公式，进而确定了叶片型线的设计方法以及短叶片的偏置设计准则，为短叶片偏置设计提供了精确的数学基础。最后，对一台比转速为47的复合叶轮离心泵，在不同短叶片偏置设计参数下进行了试验，试验验证表明，文章中提出的计算公式可以指导设计。     

翼型最大拱度位置对轴流泵水力性能影响的模拟与试验

为了研究翼型拱度对轴流泵水力性能的影响,采用数值模拟和模型试验的方法在参数化翼型的基础上,保持升力系数大体一致,改变翼型最大拱度的位置及高度设计得出对应轴流泵叶轮,分析翼型拱度对轴流泵水力特性的影响。在二维翼型最大拱度位置为0.3L~0.65L时采用翼型优化方法,保证翼型的升力系数基本一致,得到了不同最大翼型拱度位置下的翼型设计方案;针对0.4L、0.5L和0.6L共3种最大翼型拱度位置下的翼型设计方案,采用二维叶栅理论进行轴流泵叶轮设计。其余设计参数均保持不变,得到3副不同的轴流泵叶轮,将配套导叶、弯管、叶轮组合成泵段进行数值模拟计算。最后通过泵段模型试验验证了数值计算结果的可靠性。研究结果表明：为保证轴流泵具有较好的能量性能和汽蚀性能,最大翼型拱度最好选择在0.4L~0.6L的位置。当最大翼型拱度位置为0.5L时,水泵具有较宽的高效区运行范围,流量扬程曲线较为平顺。在小流量区域,最大翼型拱度位置靠近翼型前缘或尾缘时,效率均会下降;在大流量区域,最大翼型拱度位置越靠近翼型尾缘效率越高。随着最大拱度位置向翼型尾缘的偏移,水泵的汽蚀性能有一定的提高。在泵站工程应用时,可通过改变最大翼型拱度位置来满足泵站实际运行的能量性能和汽蚀性能要求。     

基于CFD的旋喷泵水力设计及性能比较

采用相同的窄流道直叶片,按照单闭式、单半开式、双半开式设计了3种不同叶轮结构的旋喷泵水力模型;采用CFD方法利用ANSYS-CFX软件对3种水力模型的内部流场进行三维数值模拟,分别得到3种模型的压力场、速度场。通过对设计方案扬程、轴功率、效率的性能预测,分析了3种旋喷泵水力模型的性能特征,以利于设计方案的优选。     

基于正交试验的深井泵优化设计

以深井泵叶片数、出口安放角、出口宽度等7个因素,每个因素取3个水平,按L18(37)正交试验方案,设计了18副叶轮.通过CFD技术对叶轮、导叶在内的两级深井泵的全流场进行了设计工况下的三维数值模拟,获得了18组设计方案的效率、扬程值.通过正交试验法探索了各几何参数对效率、扬程的影响规律,并通过极差分析找到了影响这些性能的主要因素和次要因素,根据优选结果结合内部流场测试及样机试验验证对模型泵提出了进一步优化设计方案.本试验结果对采用叶轮极大扬程设计法的深井泵水力设计具有一定的参考价值.     

翼型最大厚度与最大拱度位置对轴流泵水力性能的影响

为了研究翼型最大厚度与最大拱度位置对轴流泵水力性能的共同影响,以"儒可夫斯基翼型"为基础翼型,对轴流泵叶片的设计参数进行调整,通过数值模拟的方法,分析翼型最大厚度位置及最大拱度位置对轴流泵水力性能的影响。首先对轴流泵进行单因素分析,分别针对翼型最大厚度位置和翼型最大拱度位置,保持水泵其余设计参数不变,对设计的不同叶轮模型进行数值模拟计算,再将2者协同考虑,最后取最优设计结果进行不同工况下轴流泵水力性能分析。设计结果表明,最大翼型厚度位置的理想取值范围为(0.175～0.25)L,翼型最大拱度位置的推荐取值范围为(0.6～0.7)L。同时发现当参数κ取为0～0.07时,水泵综合性能较好。研究可为轴流泵高效设计提供一定的理论基础及设计依据。     

导叶叶片数及导叶相对位置对低扬程轴流泵装置性能的影响

为研究导叶叶片数及导叶相对位置对轴流泵装置性能的影响,设计了3个不同导叶数方案和4个不同导叶相对位置方案,采用计算流体动力学软件分别对每个模型在0.8Q_d~1.2Q_d之间的5个工况进行计算.根据数值计算结果,选择最优模型,即导叶数为5,叶轮出口距导叶距离为0.086D的泵装置模型进行能量特性试验,并将试验结果与数值计算结果进行对比分析.结果表明:当轴流泵叶轮叶片数一定时,增加导叶数,将使导叶水力损失增大,出水流道水力损失增大,泵装置效率将下降;当叶轮叶片数和导叶数一定时,叶轮出口至导叶进口距离过大或过小时,将使导叶水力损失增大,导叶出口速度环量减小,出水流道水力损失增大,泵装置效率将下降;试验结果与数值计算结果的误差在4%以内,验证了数值计算的可靠性、准确性.研究结果可为泵装置的导叶水力设计和效率提高提供一定参考.     

15WD0.5—120型窄流道离心式叶轮的设计

介绍了小流量（Q=0.5m^3/h)、高扬程、离心式叶轮堵塞部分流道面积-窄流道离心式叶轮的设计方法：堵塞叶轮部分流道面积与增大叶轮出口宽度（b2)相结合，这将便于加工制造、控制泵的流量、减少叶轮流道的水力损失，试验结果证明：窄流道离心式叶轮的水力设计是成功的，满足小流量泵的性能要求，其性能曲线平坦，效率比设计值高3%，使用范围宽，运转平稳，叶轮的几何尺寸加工制造易保证。     

超低比转速高速离心泵复合式叶轮的正交设计

针对影响超低比转速高速离心泵复合式叶轮短叶片设计的叶片数、叶片径向进口的相对位置、叶片周向偏置度及偏转角等4个主要因素,设计了16种不同短叶片型式的复合式叶轮.通过对正交设计方案结果的极差分析,得出各因素水平对扬程和效率影响的主次顺序分别为短叶片数、偏转角、周向偏置度、径向进口的相对位置和短叶片数、径向进口的相对位置、周向偏置度、偏转角,从而得到超低比转速高速离心泵复合式叶轮短叶片的最佳设计方案.利用CFD软件,分别对采用常规叶轮和正交设计的复合式叶轮两种方案进行了数值模拟和性能预测.结果表明,采用正交设计的复合式叶轮内部压力场和速度场分布合理,Q-H曲线更加平坦,Q-η曲线最高效率点向大流量偏移,在相同设计方案下,复合式叶轮离心泵在大流量工况条件下工作性能良好.     

叶轮外径对混流泵作透平性能的影响

为了研究混流泵作透平工况下,叶轮外径对性能的影响,以混流泵为模型,通过试验验证了CFD方法的有效性.基于BladeGen设计了160,170,180 mm这3种叶轮外径的混流泵水力模型, 并通过数值分析研究了3种叶轮外径下,混流泵作透平工况下的外特性,水力损失分布及内部流场分布.结果表明:随着叶轮外径的不断增大,混流泵作透平的高效点逐渐向大流量区域移动,高效点的扬程、轴功率及效率都随之增加;大流量区域内,扬程迅速降低,轴功率下降变缓,效率有所上升;总水力损失与叶轮部分的水力损失显著减少;蜗壳部分的水力损失变化不明显;叶轮入口处的旋涡区域逐渐减小,蜗壳出口与叶轮入口之间存在的间隙流体逐渐减小,从而引起该部分水力损失逐渐减小;压力分布更加均匀.     

离心泵叶片反问题设计

研究了中等比转数离心泵叶片反问题设计问题,解决了叶片造型、滑移修正和流动控制等３个重要问题,介绍了反问题设计过程,给出了具体计算实例,计算表明,叶片反问题设计对叶轮内部流动具有可控性,有利于叶片形状的优化。     

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.     

管网特性对水泵变流量运行能耗的影响

在暖通空调的水系统中,管网型式与阻力的变化对水泵运行特性产生重要的影响.通过实例对水泵变流量运行进行计算与分析,并采用管网阻力调节、水泵台数控制及变频控制方法调节系统流量.探讨了管网变化对水泵变流量运行能耗的影响;分析了管网性质与水泵运行工况的关系,以及各种流量调节方式与水泵运行能耗的关系.计算结果表明：管网特性对水泵变流量运行的能耗影响较大.通过增加管网的阻力调节流量,通常会使水泵的能耗降低;水泵变频控制方式对开、闭式管网的运行能耗影响有较大的区别,静压值越大,节能效果越小;在闭式循环管网中,水泵台数控制与变频控制是两种有效的节能调节方法,由于管网发生变化,水泵的运行工况变化不满足相似律;水系统通过采用压差控制流量时,最不利环路可能发生变化成为次不利环路,所以末端压差控制因管网变化而形成水力失调,最小阻力控制比定压差控制有显著的节能效果.     

超低比转数离心泵叶轮切割的三维流场数值模拟

为研究超低比转数离心泵叶轮直径切割量与泵性能变化的关系,选取IS 50—32—250型离心泵为研究对象,利用商业软件Fluent对不同叶轮外径下泵的三维流场进行数值模拟,计算出不同叶轮切割量下的叶轮和泵体流场中压力场和速度场的分布。通过对不同叶轮切割量的计算结果分析比较,得出超低比转数离心泵叶轮切割量对泵的效率产生很大影响：叶轮切割量为0.03时,泵的效率突然升高;切割量为0.09时,效率稍有下降;切割量为0.15时,效率突然产生大幅度下降。实际切割中切割量不能大于0.15,否则性能严重下降。     

轴流泵叶轮内空化流动的数值计算

首先通过轴流式模型泵外特性试验,确定了汽蚀性能曲线。基于完整空化模型和混合流体两相流模型,对轴流式模型泵设计工况下叶轮内空化流动进行全流道数值计算。选择空化开始发生、临界汽蚀点以及空化严重时3个工况比较分析叶轮内空化流动的发展情况。计算获得了不同汽蚀余量时叶片背面静压、空泡体积组分分布和不同轴截面上的空泡体积组分分布。计算结果表明空化最初发生在叶片背面进口靠近轮缘的局部低压区;在临界汽蚀点处,空化发生的区域位于叶片背面进口至出口弦长的2/3处,面积约占叶片背面面积的50%,随着空化程度的进一步加剧,空化区域逐渐向后发展且空泡体积组分逐渐变大,当叶轮流道内发生局部空化时,不会影响到泵的能量性能;空化严重时,靠近进口截面的过流面积受到严重堵塞,泵的能量性能严重下降。计算结果与外特性试验相吻合,较好地揭示了轴流泵叶轮内的空化流动的静态特征。     

轴流泵叶片水力矩三维紊流数值计算

采用RNGκ-ε湍流模型闭合雷诺时均动量方程组，数值模拟了某轴流泵内部三维流动．在计算流量、扬程、功率和效率的基础上，将该轴流泵的模型试验结果与计算结果进行了对比，两者一致性很好，从而验证了数值计算的有效性和可行性．讨论了叶片水力矩计算方法，根据数值计算结果，采用自编程序计算出每一个计算工况下的叶片水力矩，并详细分析了轴流泵叶片水力矩随流量和扬程变化的规律．轴流泵叶片水力矩随流量变化的关系曲线存在一个马鞍区，并与流量-扬程曲线的马鞍区相对应．在小流量区，水力矩变化剧烈，随流量的减小上升很快．叶片水力矩的变化与泵性能参数的变化密切相关，应引起泵设计人员的充分重视．     

管网特性对水泵变流量运行能耗的影响

在暖通空调的水系统中,管网型式与阻力的变化对水泵运行特性产生重要的影响.通过实例对水泵变流量运行进行计算与分析,并采用管网阻力调节、水泵台数控制及变频控制方法调节系统流量.探讨了管网变化对水泵变流量运行能耗的影响;分析了管网性质与水泵运行工况的关系,以及各种流量调节方式与水泵运行能耗的关系.计算结果表明：管网特性对水泵变流量运行的能耗影响较大.通过增加管网的阻力调节流量,通常会使水泵的能耗降低;水泵变频控制方式对开、闭式管网的运行能耗影响有较大的区别,静压值越大,节能效果越小;在闭式循环管网中,水泵台数控制与变频控制是两种有效的节能调节方法,由于管网发生变化,水泵的运行工况变化不满足相似律;水系统通过采用压差控制流量时,最不利环路可能发生变化成为次不利环路,所以末端压差控制因管网变化而形成水力失调,最小阻力控制比定压差控制有显著的节能效果.     

不同断面型式蜗壳对离心泵性能影响的数值模拟

基于SSTk-ω模型封闭的雷诺平均方程,应用ANSYSCFX11.0软件,在原离心泵马蹄形断面蜗壳的基础上重新设计了圆形断面和矩形断面两种蜗壳,并分别将3种不同断面的蜗壳与同一叶轮组合进行三维数值模拟.计算结果表明,不同型式断面的蜗壳对离心泵性能有一定的影响,矩形和圆形蜗壳在大流量工况区的效率比马蹄形蜗壳略有提高,在设计点,矩形蜗壳的效率比马蹄形的略低,但大流量工况却高;在小流量工况圆形蜗壳的扬程比马蹄形蜗壳的扬程低,而矩形蜗壳和马蹄形蜗壳相差不大,在设计点矩形蜗壳和马蹄形蜗壳略高于圆形蜗壳,在大流量工况马蹄形蜗壳的扬程有所降低.不同的断面型式对蜗壳的水力损失也有一定的影响,而且随着流量的变化损失也在变化.矩形蜗壳壁面上的压力脉动的幅值在设计流量工况较马蹄形蜗壳和圆形蜗壳要小一些.     

泵及泵装置效率表达与换算

从理论上分析和表达了水泵机械效率、水力效率、容积效率及总效率;分析和表达了泵效率、泵装置效率的相似性,评价了已见各种泵效率的换算公式,推导并提出了泵效率常数暨新的泵效率、泵装置效率换算方法;所提效率公式、效率换算方法对泵性能参数的可信性有鉴别、评价作用,对开发高效水力模型,提高泵站效率有指明路径作用。针对离心泵(及蜗壳式混流泵)和轴流泵(及导叶式混流泵)所提统一的表达式,既适用于泵,亦适用于泵装置;既适用于模型泵,亦适用相似的任意口径、任意参数的原型泵及原型泵装置。泵及泵装置性能统一表达的研究和实现,对于提高泵的设计水平,对于泵及泵站特性准确预测均有较大的理论意义和实际应用价值。