电动机前置和电动机后置潜水贯流泵装置水力性能比较

为了推动潜水贯流泵装置在低扬程泵站中的应用,提出了电动机前置的新型潜水贯流泵装置型式.基于某大型潜水贯流泵站的设计参数,分别设计了电动机前置和电动机后置2种型式的潜水贯流泵装置方案,采用数值模拟方法对这2种型式潜水贯流泵装置的三维流场分别进行数值计算和分析,预测泵装置的扬程和效率,并比较其水力性能和结构特点.结果表明:这2种型式潜水贯流泵装置的进水流道内水流收缩都平缓均匀、流线层次分明,电动机前置方案出水流道内水流扩散平缓且无旋涡或其他不良流态,电动机后置方案出水流道内主流偏向流道扩散段右下侧并在左上侧产生旋涡;电动机前置方案的流道水头损失小、泵装置效率高,水力性能优于电动机后置方案;电动机前置方案的潜水电动机密封更可靠、电动机支撑结构更合理、水泵导叶体的水力设计更成熟.潜水贯流泵装置应优先采用电动机前置方案.     

基于流固耦合的湿定子潜水贯流泵一体式叶轮强度分析

湿定子潜水贯流泵有别于一般贯流泵,其水泵叶轮安装在电机转子内腔,电机转子与叶轮为一体式结构。为验证此叶轮结构的安全稳定性,应用ANSYS workbench对其进行单向流固耦合数值模拟分析,研究流固耦合作用下叶轮结构的力学特性,获得了水动力和磁拉力共同作用下叶轮的应力和应变分布。结果表明:叶片根部与尖端出现不同程度的应力集中现象,最大应力出现在叶片工作面尖端;叶片变形分布径向梯度明显,与叶片半径呈正比关系;叶轮强度校核结果满足要求。研究成果可为湿定子潜水贯流泵叶轮结构优化设计与水力特性分析提供参考。     

全贯流泵回流间隙对泵水力性能的影响

为了研究全贯流泵回流间隙对泵水力性能的影响,利用CFD软件对全贯流泵装置进行了数值模拟计算,分析了全贯流泵装置的流动特性和水力性能,并通过模型试验验证了计算数据的可靠性。研究结果显示：回流间隙对全贯流泵的水力性能有较大的影响,且随着电机转子间隙的增大,泵装置在设计工况下的效率和扬程均逐渐降低。当回流间隙为0.65mm时,全贯流泵在设计工况下的扬程为3.05m,效率为82.46%,最高效率为82.66%。当回流间隙为2mm时,全贯流泵在设计工况下的扬程为2.92m,效率为80.85%,最高效率为81.27%,两种回流间隙的泵装置在设计工况下的扬程差值为0.13m,效率差值为1.61个百分点。随着流量的增大,全贯流泵叶轮进出口的压差逐渐减小,间隙回流流量也逐渐减小,间隙回流对叶轮进出口的流态影响也减小。距离轮缘越近,回流对流态的影响越大。随着回流间隙的增大,全贯流泵的间隙流量变大,间隙回流对叶轮进出口的流态影响增大,叶轮的做功能力逐渐变差,全贯流泵的扬程和效率均逐渐下降。     

特大流量潜水贯流泵叶轮水力设计优化研究

针对Q=100 m³/s的特大流量潜水贯流泵装置,对叶轮叶片及导叶进行水力设计,基于正交试验方法进行优化,对最优泵装置方案进行CFD计算,探究机组外特性,并对导叶出口边齐平与不齐平的两种导叶安放型式机组水力性能参数进行了对比分析。研究结果表明：叶轮轮毂比为0.4,叶片数为4,导叶数为6时,泵装置的效率最高,泵装置的最高效率为80.52%;1.0Q_d工况下泵装置扬程为2.73 m,效率为74.68%;0.87Q_d工况下泵装置扬程为4.50 m,效率为80.14%;1.12Q_d工况下泵装置扬程为0.45 m,效率为23.77%;从扬程、效率、导叶段水力损失等参数,得出不齐平的导叶出水边安放型式机组水力性能更优。针对叶轮和导叶的造型方法及正交试验与CFD计算组合的优化方法均提高了水力优化工作效率,适于推广应用,研究成果对低扬程特大流量水泵开展的计算分析工作也为潜水贯流泵大型化发展提供了一定的水力性能参考。     

灯泡贯流泵装置的三维流动数值模拟

为了配合南水北调东线工程淮阴三站灯泡贯流泵装置的优化水力设计研究工作,对该站前、后置灯泡贯流泵装置内部流动的数值计算方法进行了初步研究;参照该站初步设计阶段初步拟定的机组结构形式,建立了前置灯泡和后置灯泡贯流泵装置几何型体数学模型;分别对两种装置内部的流动进行三维湍流数值模拟,得到了前置灯泡和后置灯泡贯流泵装置的内、外水力特性;讨论了两种灯泡贯流泵装置进、出水流态的主要特征.计算结果表明：采用数值计算的方法研究灯泡贯流泵装置内部的三维流动及贯流泵装置的水力性能是可行的;淮阴三站前置灯泡和后置灯泡贯流泵装置初步设计方案的能量性能尚不能满足南水北调工程的要求,需通过进一步的优化计算,争取实现可能的最高装置效率.     

灯泡贯流泵机组支撑形式比较

为了优化贯流泵机组支撑结构,提高其综合性能,将贯流泵机组支撑划分为主轴系轴承座支撑、灯泡体支撑和泵体支撑3个层次．研究了3种典型贯流泵机组的支撑形式;通过受力分析,计算了主轴变形和疲劳强度安全系数;从泵机组可靠性、安装维修性、总体结构和泵装置水力性能等方面,比较了几种支撑形式．从主轴轴承数量、布置及安装、灯泡体支撑和泵体支撑等方面,提出了灯泡贯流泵机组支撑的设计原则和方法．结果表明：灯泡贯流泵机组支撑形式不但影响可靠稳定性能和安装维修性能,还严重影响系统水力性能．电机转子和水泵叶轮挠度分别为0．19～0．39mm和0．22～0．62mm,滑动轴承和滚动轴承油膜厚度分别为0．41～0．53mm和0．12～0．17mm：为了保证运行时电机空气间隙和水泵叶片间隙均匀,导轴承座安装高程应考虑转子和叶轮的挠度以及导轴承的油膜厚度．合理布置导轴承,灯泡体采用辐射板支撑,进人孔与灯泡体底部主支撑合用,采用金属管泵段式结构,可以提高灯泡贯流泵机组的可靠性能和水力性能．结果对灯泡贯流泵机组的优化设计具有参考价值．     

间隙回流角度对全贯流泵水力性能的影响

为了研究不同间隙回流角度对全贯流泵水力性能的影响。采用CFX软件对全贯流泵装置进行三维数值模拟,分析不同间隙回流角度下的全贯流泵内部流态和性能。首先,针对初始方案,设计2种间隙回流角度并进行数值模拟计算,再分析全贯流泵的内特性和外特性,最后通过模型试验测试验证数值模拟的可靠性。结果表明:主流靠近叶轮进口轮缘处受到间隙回流的影响,轴向速度减小,径向速度增大;间隙回流角度顺着叶轮内流场的方向,间隙回流出口的流量对叶轮进口处的流场影响较小;小流量工况下,叶轮室内流场不稳定,同时间隙回流对叶轮进口轮缘处产生的影响较大,因此避免水泵在小流量工况下运行。但是回流角度的变化会影响全贯流泵的轴功率,增大了圆盘间的摩擦扭矩,进而增加了轴功率,导致效率降低。研究对全贯流泵的优化具有重要的理论意义和指导意义。     

扩散导叶对贯流泵装置性能影响

贯流泵装置中扩散导叶的叶片数是影响其装置水力性能的一个因素,故有必要对其进行计算和分析.通过CFD方法对配有不同导叶体的灯泡贯流泵装置内部三维流动进行了全流道数值模拟计算,获得了5种不同方案（4片、5片、7片、8片导叶和改进后的5片导叶）下贯流泵装置水力性能以及导叶段的水力损失,分析了不同导叶叶片数和叶片形状对贯流泵装置外特性的影响.结果表明,导叶体内的水力损失基本上随着导叶叶片数的增加而增大,而泵装置的效率不完全符合这一规律;采用5叶片导叶方案的泵装置效率较高,且内流场的压力和流速分布较为均匀;改进后的5叶片导叶体内的水力损失最小,泵装置效率最高,提出了对确定叶轮的最佳导叶叶片数的匹配.     

适用于高扬程的贯流泵设计及试验

贯流泵具有装置效率高、结构紧凑、平面尺寸小、水力性能好等特点。本研究运用CFD数值模拟方法,设计适用于7~10 m高扬程的定桨式灯泡贯流泵,并重点针对叶轮进行优化设计。分析对比了不同方案的泵装置外特性、叶片静压分布等。最后结合模型试验验证高扬程贯流泵数值模拟优化设计的可靠性。从而得出结论,所设计的最优贯流泵设计扬程为8.22 m,装置效率为83.45%,叶轮效率为91.46%,高效区范围较广。模型试验最高效率点为83.22%,设计扬程下效率为81.98%,误差范围较小。可表明数值模拟对贯流泵的性能预测精度较高,同时验证优化设计的有效性。     

贯流泵装置的试验研究

本文以两种贯流泵装置(后置灯炮式)模型和立式轴流泉(18CJB-34)装置模型,在同样试验测定条件下所得的试验结果及理论分析,论证在低扬程(5m以下)情况F,贯流泵装置效率高于立式轴流泵装置,且具有比较明显的高效节能、泵站士建投资省等优点。而这两种贯流泵装置,又以齿轮箱传动方案的水力性能为优。为我国今后在水利工程中采用贯流泵机组提供了参考。     

导流器几何参数对潜水泵性能影响的通径分析

为研究导流器主要几何参数对潜水泵性能的影响规律,根据导流器的工作原理,针对250QJ125型潜水泵,选取导叶片进口安放角、叶片轴向长度、叶片数为试验因素,采用正交试验设计方法设计导流器,应用CFD数值模拟技术,对同一叶轮与不同方案导流器组合的潜水泵进行流场计算与性能预测,运用通径分析法对导流器主要几何参数与潜水泵性能的关系进行分析.结果表明:对取单级扬程和效率作为性能评价指标的潜水泵而言,进口安放角对其性能影响最大,叶片轴向长度次之,叶片数最小;通过相对误差分析,模拟结果与实测结果吻合较好,平均相对误差值为5.1%.利用通径分析能较全面地反映导流器各个参数之间及对潜水泵性能的影响规律,得到影响潜水泵性能的主要因素和次要因素,为从结构设计上提高潜水泵性能提供一定依据.     

矿用多级抢险排水泵气液两相流动特性分析

为研究气液两相流对矿用多级抢险排水泵性能的影响,以一台四级矿用潜水离心泵为研究对象,采用 ANSYS CFX数值模拟方法,基于Eulerian-Eulerian多相流模型,对不同气体体积分数,不同气泡直径、四级离心泵进行气液两相流定常数值模拟.模拟得到气液两相流下的矿用多级抢险排水泵性能曲线及转子轴向力,并对扬程、效率、转子轴向力进行分析对比,同时分析泵内部气体分布规律.结果表明:在气液两相流条件下,气泡直径、气体体积分数都对泵的外特性及转子轴向力有显著的影响,在大流量、气体体积分数比较高的情况下,矿用多级抢险排水泵的扬程和效率会急剧下降,并出现转子残余轴向力与正常运行条件下转子残余轴向力方向相反的情况;内部流动中,气液两相流条件下叶轮出口出现局部回流,回流从吸力面流向压力面.     

潜水离心泵叶轮叶片数及导叶叶片数的匹配

为分析叶轮和导叶叶片数对潜水泵性能的影响,在原型泵(叶轮叶片数为7,导叶叶片数为8)基础上设计了9个不同叶轮和导叶叶片数的潜水泵模型,基于雷诺时均Navier-Stokes方程Spalart-Allmaras湍流模型对各模型泵内的流场进行了三维定常数值模拟计算,获得了泵的扬程和效率曲线.结果表明,当潜水离心泵泵的叶轮叶片数为6,导叶叶片数为8时,潜水泵具有最佳的整体性能.性能最优潜水泵效率提高2.61%,扬程提高0.574 m.通过对性能最优和原潜水泵内流场对比分析发现,性能最优潜水泵具有更大的相对高压区,叶轮和导叶叶片数变化对潜水泵流场速度分布影响较小.通过对原型潜水泵的外特性试验验证了数值模拟方法合理可行.     

叶轮后密封环直径加大量对轴向力特性的影响

以300QJ230-40/2型潜水泵为研究对象,以清水为介质,采用标准k-ε湍流模型在多重参考系下对该泵全流道进行了定常不可压数值模拟,获得了外特性和轴向力预测值,并绘制了性能曲线和轴向力随扬程变化的关系曲线;采用机械法对该泵轴向力进行了试验测量,并将模拟值与试验值进行对比分析.结果表明:在0.8Q_sp~1.2Q_sp(对应扬程为46~36 m)的工作区域,泵性能和轴向力的数值计算结果与实测结果基本吻合.在叶轮前密封环直径、平衡孔直径及数量不变的条件下,在叶轮后密封环直径加大量Δr_m≠0时,对该潜水泵进行了全流道数值模拟和轴向力数值计算,绘制了不同后密封环直径下泵轴向力随扬程变化的关系曲线,结果表明了加大后密封环直径能有效地减小轴向力;绘制了轴向力系数与比面积关系的无因次曲线.     

基于叶轮出口叶片间面积的潜水泵性能分析

根据潜水泵导流器与叶轮的特性曲线方程,确定了最佳工况点.根据面积比原理,对不同的叶片出口安放角进行了分析;在井用潜水泵上,将同一个导流器与不同的叶轮组合并进行了试验.结果表明,叶片出口安放角不同,泵性能曲线将发生变化;只要保持面积比不变,同一个导流器与不同的叶轮组合,同样可以得到一种高效率的泵.将最佳工况点的测试结果与计算结果所作的对比分析表明,扬程、流量的相对误差均小于0.06,两者基本吻合.分析试验的结果为增加泵的规格并扩大使用范围提供了新的途径.     

串列式轴流泵首次级叶轮能量特性及相互作用

为了分析串列式轴流泵的能量特性以及首次级叶轮之间的相互作用及其对能量特性的影响,采用数值计算的方法,对一串列泵内不同流量工况下的内部流场进行计算．湍流模型采用了一种RANS／LES的混合模式的FBM模型,基于试验结果对数值方法进行了验证,结果显示该数值方法能够较为精确地预测轴流泵的能量特性,FBM湍流模型预测结果精度高于标准k-ε模型．串列泵具有和普通轴流泵不同的能量特性:扬程随流量增大单调减小,功率随着流量增大而缓慢增大,说明串列泵具有良好的调节特性;首级叶轮的能量特性随流量变化而改变,具有和普通轴流泵几乎相同的能量特性,次级叶轮的存在明显改善了首级叶轮在小流量工况下的特性;次级叶轮的能量特性和普通轴流泵相比,具有较大差别,这是由于首级叶轮的存在改善了次级叶轮的进口流动,使次级叶轮在较大流量范围内具有恒定的能量特性．     

潜水轴流泵结构动应力分析

采用CFX 和Workbench软件在多工况下对潜水轴流泵的转子部件进行耦合计算,分析了转子部件在流体作用力、离心力以及重力作用下的应力、应变的分布规律,指出转子部件由于变形过大以及强度不足而引发失效事故的可能性.结果表明:轮毂受到的轴向力方向与叶轮受到的轴向力相反,且其受到的轴向力随着流量的增大而增大,在大流量情况下,轮毂可起到平衡轴向力的作用.从径向、轴向和周向变形可以看出,径向变形极小,周向变形最大,是叶轮的主变形,说明了扭矩在整个变形中占据了主要作用.叶片背面的压力值明显低于工作面,在叶片工作面靠近进口侧轮毂处附近区域出现较高应力区,会产生应力集中现象,且随着流量的增大,主应力减小.对水泵进行静力结构分析、强度校核,不仅可以降低事故的发生率,而且可以为轴流泵的水力优化设计提供有力的参考.     

基于CFX与Workbench耦合的轴流泵的内外特性

为了研究耦合作用对1 000 kW级大型潜水轴流泵流场内外特性的影响,采用ANSYS Workbench和CFX耦合的方法,对该潜水轴流泵轴系转动部件进行了非定常数值模拟计算和非定常双向耦合数值计算,得出耦合作用前后2种情况下该潜水轴流泵的外特性以及内流场压力脉动分布情况,并对比分析了耦合作用对该潜水轴流泵外特性以及叶轮进出口压力脉动的影响.计算结果显示,相比于非耦合作用,耦合作用下轴流泵外特性,无论是扬程还是效率都呈现下降趋势,但是降幅极小,大约为1%;耦合作用前后,叶轮进口监测点压力脉动变化趋势相同,但是各阶段频率对应的振幅会略微提高,监测点越是靠近叶轮进口轮缘位置(最大变形位置),振幅增大的幅度越大,点I₆(靠近最大变形位置处)主频对应的振幅幅值提高了3%左右,而距离此位置越远,影响越小.     

对旋式轴流泵后置叶轮水力性能分析

为了研究对旋式轴流泵后置叶轮对其水力性能的影响,采用CFD软件对该对旋式轴流泵装置进行数值模拟计算,将前置叶轮与后置叶轮水力特性进行对比分析,研究后置叶轮的进口安放角对整个装置水力特性的影响,最后通过模型试验验证数据的可靠性.结果表明:在设计工况下,对旋式轴流泵扬程为11.32 m,效率为87.57%.在小流量工况下,流量为300 L/s左右泵提前进入马鞍区,此时泵扬程为14.06 m,效率为79.48%;在大流量工况下,流量为440 L/s时,泵装置扬程为2.24 m,效率为54.16%.对旋泵后置叶轮的水流进口冲角要大于前置叶轮的水流进口冲角,导致后置叶轮叶片做功能力增强,后置叶轮扬程增大.改变后置叶轮安放角,特别在小流量工况下,后置叶轮的马鞍区同样提前,后置叶轮的进口液流角几乎相同.研究结果对于对旋式轴流泵后置叶轮的设计和优化提供参考依据.     

双向流道立轴潜水泵系统流动特性研究

为探索将潜水电泵和双向流道泵装置结合在一起的双向流道潜水电泵系统,通过CFX软件对该系统进行全流道数值模拟,获得了系统内的流动特性,并预测了泵装置的水力性能。对进水流道内加设不同导流措施的水流特性进行了分析,结果表明,加设椭圆线导流锥的进水流道出口流速分布均匀度效果最好,能够防止有害旋涡,保证水泵运行的进水条件。应用特别设计的、单边18°的大扩散角出水室,有效地抑制了脱流和水力损失,确保水泵系统整体效率水平。在高精度水力机械试验台进行了模型试验。试验结果表明,泵装置扬程为3.11 m,流量为256 L/s,泵装置效率达到71.9%,正、反向分别高于可逆式双向潜水泵装置7和13个百分点。说明双向流道配立轴潜水泵装置具有良好的工程应用价值。模型试验结果和性能预测结果在高效区范围内吻合,数值计算得到较好的验证。