流体激振力对高速泵转子振动特性的影响研究

对高速泵三维流场进行了非定常计算,分析了高速泵内的压力分布情况。研究了高速泵叶轮上的稳态径向力和脉动径向力,分析了流体激振力对高速泵叶轮系统的振动及其轴心轨迹的影响。计算结果表明:泵内部流场的压力分布合理,稳态作用力的计算符合实际数据;瞬态作用力与叶轮和隔舌的干涉流动有很大关系;在脉动激振力作用下,泵转子振动响应谱图中出现了脉动激振力的频率及其谐波频率。     

偏离工况下离心泵的压力脉动和振动分析

为分析偏离工况下离心泵压力脉动和振动情况,本文采用大涡模拟和滑移网格技术研究一离心泵在偏离工况下叶轮内部和叶轮与蜗壳动静干涉位置的压力脉动,并对其进行了频域分析。分析结果表明:离心泵内部流动产生的压力脉动主频多数情况下是其通过频率。在不同运行工况下,叶轮出口处的压力脉动幅值均最大,大流量偏离工况下离心泵内部各部分压力脉动特性与设计工况基本相同,只是脉动幅值略有增大;小流量偏离工况下,离心泵叶轮出口(叶轮和蜗壳动静干涉区域)压力脉动幅值有所增大,脉动主频不再是通过频率,而且其频谱宽度明显增大;当离心泵运行工况小于0.6Q时,压力脉动明显比设计工况剧烈。     

多级离心泵扬程预测及内部流场数值模拟

为了研究多级离心泵的性能及其内部流场分布,采用SST k-ε湍流模型对原型泵的首级、第二级及第三级叶轮进行定常和非定常数值模拟计算,分析其外特性、内部流场和压力脉动。研究表明,通过前三级叶轮的扬程能较准确地预测原型泵的扬程。不同流量工况下隔舌处均易出现低压区域,大流量工况蜗壳出口近隔舌处也易出现局部低压区和高压区,隔舌处压力梯度较大。小流量下首级叶轮近隔舌区域的压力脉动不稳定,周期性较差,频域幅值主要集中在低频率区域;对于设计流量和大流量工况,首级叶轮近隔舌区域和远离隔舌区域的压力脉动较为稳定,呈现出较明显的周期性,主频在1倍和2倍叶片通过频率处,频域幅值主要集中在叶片通过频率及其高次谐波频率处。     

离心泵作透平最佳工况点下的瞬态流动特性分析

为揭示离心泵作透平在最佳工况点下主要过流部件的瞬态流动特性,采用修正的PANS模型对一台比转速为90的离心泵作透平的瞬态流动特性进行数值模拟,通过试验验证数值计算的准确性;根据叶片的进、出口速度三角形计算理论最佳工况点,并对最佳工况下叶栅内部的流动规律进行预测;对蜗壳、叶轮在最佳工况点下的内部瞬态流动特性进行分析。结果表明,叶轮理论进、出口最佳工况点分别为55 m³/h、108 m³/h,实际最佳工况点为80 m³/h;叶片与蜗壳隔舌的动静干涉会促进隔舌前缘旋涡的脱落,当叶轮前缘与隔舌前缘平齐时,蜗壳内压力脉动强度最低;叶栅内旋涡的脱落频率约为2f_n,涡量的演变主要由其输运方程中的拉伸项及科氏力项共同主导;吸力面附近涡量的演变对叶轮前、中部流道内的压力脉动影响较大,而叶片尾缘涡量的演变对叶轮出口处的压力脉动影响较大。研究结果可为提高离心泵作透平在余能回收系统中的运行稳定性提供参考。     

超低比转速复合式离心泵内部流动特性分析

为研究超低比转速复合式离心泵内部流动特性,以一台比转速为16、半开式复合叶轮离心泵为研究对象,应用ANSYS-Fluent19R1软件对模型泵进行三维全流场数值模拟计算,得出泵内部流场及作用在叶轮、蜗壳上的径向力分布规律。结果表明:在不同流量工况下,随着流量的增加,在隔舌附近出现较大的压力梯度;在长叶片与短叶片相间隔流道内低速区面积较大、叶轮出口处分布较多的旋涡;当流量从0.2倍增加至1.8倍额定流量时,作用在蜗壳上的径向力幅值逐渐减小,作用在叶轮上的径向力幅值先减小后增加,在1.0倍额定流量时径向力幅值达到最小,而后增大。为超低比转速复合式离心泵的设计优化提供参考。     

基于DES的离心泵内部瞬态流动数值研究

为了阐明变工况运行条件下离心泵内部瞬态流动特性,评价其瞬态水力性能及其压力脉动特性,提高离心泵的运行稳定性,基于DES分离涡模型,在小流量、额定流量和大流量工况下对泵进行了性能预测和数值模拟。与试验结果比较发现,性能预测结果和试验结果吻合较好,额定工况下泵内部流动参数梯度变化均匀。在此基础上,在泵内部设置p1～p9压力脉动监测点,通过对监测点的压力脉动时频分析,表明进口流道p1压力脉动频率与叶频的倍频保持一致,以低频脉动为主;受隔舌结构影响,出口流道p6压力脉动频率的脉动幅值较大,以高频脉动为主。比较叶轮旋转第1～第6圈静压分布和涡量分布规律,第3圈后叶轮内部流动趋于稳定,第6圈后蜗壳内部流动达到稳定,表明离心泵叶轮和蜗壳内部涡团的演化过程非同步。     

离心泵叶轮区瞬态流动及压力脉动特性

目前离心泵过流部件的瞬态流动分析主要集中在蜗壳内,对旋转叶轮区内的流动特性研究较少。基于RNG k-ε湍流模型和滑移网格,对不同工况下离心泵内部瞬态流场进行数值模拟,计算得到的离心泵扬程和效率曲线与试验结果吻合较好。在离心泵叶片正背面分别设置3个监测点,分析叶轮区压力脉动特性。结果表明,设计工况下叶片正背面压力脉动的主频为叶轮转频或2倍叶轮转频,非设计工况下其主频均为叶轮转频。从叶轮进口到出口,叶片正背面的压力脉动最大幅值都逐渐增大。同一监测点上压力脉动最大幅值在小流量时最大,约为设计工况下5倍。分析小流量工况下叶轮内部相对速度分布,叶轮出口处附近随时间变化的旋涡是内部流动不均匀的主要原因,使得离心泵在该工况下运行效率低、压力脉动强度大。     

吸水室隔板对低比转速离心泵非定常特性影响

为了研究离心泵吸水室内置隔板对低比速离心泵内部非定常特性的影响。采用数值模拟与试验研究相结合的方法,基于标准k-ε湍流模型和滑移网格模型,分别对吸水室有无内置隔板的低比转速离心泵进行三维全流场非定常数值计算,得到了不同工况下低比转速离心泵的外特性,并对叶轮径向力和轴向力的瞬态特性以及蜗壳流道内不同位置的压力脉动特性进行了分析。结果表明,采用吸水室内置隔板对外特性的影响不显著;无论吸水室有无内置隔板,低比转速离心泵蜗壳各断面压力和叶轮径向力均呈周期性波动,脉动频率为叶频。此外,径向力大小和方向时刻都在变化,且整体变化趋势基本呈六角星形分布;与无内置隔板相比,吸水室有内置隔板时蜗壳各断面压力脉动幅值均有所减弱,作用在叶轮上的径向力幅值减小,轴向力明显减小。研究结果可为低比转速离心泵的优化设计和稳定运行提供依据。     

隔舌半径对单级双吸离心泵性能的影响

为了研究隔舌半径大小对单级双吸离心泵性能的影响,基于标准k-ε湍流模型和标准无滑移网格模型,应用Fluent软件对其不同工况下的定常流动进行三维数值模拟,得到不同工况下单级双吸离心泵蜗壳内部流道的流动特性。计算结果表明,对于提出的隔舌半径为6 mm、8 mm、10 mm的三种方案,当隔舌半径为8 mm时,泵扬程和效率在各工况点都较高,且效率在最优工况点高出2%。通过三种方案下内部流动特性的对比分析可得出隔舌半径为8 mm时,压出室内流动更稳定,隔舌处流速变化更小,流动损失也更小。由此可得,压出室圆角隔舌合理选择隔舌半径能够使单级双吸离心泵的性能更优。     

离心泵叶轮流固耦合分析

基于流固耦合原理对离心泵叶轮进行结构分析,采用多物理场协同仿真平台ANSYS Workbench,基于单向流固耦合技术对离心泵叶轮结构进行了仿真计算,获得了离心泵叶轮在不同工况下的等效应力及变形情况,分析了叶轮最大等效应力和最大总变形随流量的变化情况。结果表明,各工况下叶轮应力分布不均且存在局部应力集中;叶轮变形的总位移随半径的增大不断变大,并在叶轮边缘达到最大值。叶轮最大等效应力随流量的增加不断减小,在0.4倍设计流量工况下最大为10.581MPa;叶轮最大总变形随流量的增加先减小后增大,在设计流量工况下最小为0.0028669mm。计算结果对离心泵叶轮的结构优化设计提供了数值依据。     

基于CFD/CA声比拟分析的两级离心泵流动诱导噪声数值模拟

针对两级离心泵的流体诱发噪声产生的复杂机理,基于Lighthill声比拟理论,采用了计算流体力学(CFD)与计算声学(CA)结合的数值模拟分析方法,研究了两级离心泵变工况下的流场特性及诱发的辐射噪声。采用SST k-ω模型计算分析了不同工况下两级离心泵内部非稳态流场及关键区域压力脉动特性,进而采用声学有限元法(AFEM)计算离心泵内场辐射噪声的声压级变化。研究结果表明,两级离心泵压力脉动幅值从吸水室进口到叶轮出口逐渐增大,叶轮出口处的压力脉动强度最大、声压级最高,且不同工况下压力脉动的主频保持为叶频及其倍频,叶轮和蜗壳之间的动静干涉是流动诱导噪声产生的主要原因;总体声压级在低流量工况下较高,随流量增大逐渐减小,在设计工况处最小;越接近压力脉动主频,声压级的分布越离散,宽频特性越明显,压力脉动强度为流动诱导噪声产生的主要影响因素。研究结果对两级离心泵的低噪设计和水力性能改善提供理论依据和参考。     

导叶与隔舌相对位置对离心泵内外特性的影响

为研究导叶相对隔舌不同位置对离心泵性能的影响,采用CFD计算方法对离心泵导叶与隔舌不同夹角进行数值计算。对导叶与隔舌夹角α从0⁴0°变化下离心泵外特性和内流场进行分析,结果表明导叶相对隔舌不同位置对泵内外特性有明显的影响。随着α增大,扬程和效率呈现出先升高后降低的趋势,20°附近达到扬程和效率的最大值;而在α增加的过程中,蜗壳各断面压力和速度的变化趋势不相同,叶轮各流道低速区及出口高速区受导叶影响而沿周向变化;在隔舌附近,α为040°变化下离心泵外特性和内流场进行分析,结果表明导叶相对隔舌不同位置对泵内外特性有明显的影响。随着α增大,扬程和效率呈现出先升高后降低的趋势,20°附近达到扬程和效率的最大值;而在α增加的过程中,蜗壳各断面压力和速度的变化趋势不相同,叶轮各流道低速区及出口高速区受导叶影响而沿周向变化;在隔舌附近,α为0⁴0°,导叶背面低速区减小并逐渐消失,而隔舌与导叶间低速区的变化规律与之相反。     

非稳态流体激励下离心泵转子振动特性研究

建立了离心泵全流道三维定常及非定常CFD数值模型,通过非稳态计算得到作用于叶轮上的流体激振力,同时建立了泵转子有限元模型,研究不平衡质量与非稳态流体激振力对转子振动特性的影响。研究结果表明离心泵叶轮内流体激振力具有多种频率成分。不考虑转子上不平衡质量影响时,叶轮处转子在流体激振力作用下振动幅值最大,依次为转轴中部、下部轴承和上部轴承对应的转子位置。转轴上不同位置振动频率特性具有差异,实际故障诊断时要考虑测试部位的影响。考虑不平衡质量影响时,在远离受流体激振力作用的叶轮部位,转子振动频率成分减少。     

不同叶片包角对螺旋形单蜗壳离心泵叶轮径向力特性的影响

为研究叶片包角对螺旋形单蜗壳单级单吸离心泵叶轮径向力特性的影响,应用CFD软件对某模型泵内部流场进行了数值计算,在保证蜗壳和其他叶轮几何参数不变的前提下,设计了3种叶片包角分别为110°、120°、130°的叶轮,模拟得到不同工况下叶轮所受径向力分布特性,并用外特性试验验证了数值模拟的可靠性。结果表明:设计工况下,作用在叶轮上的径向力最小,0.4 Q下的径向力最大,且脉动幅值最大;叶片包角对叶轮所受径向力影响较大,以在额定工况下运行为例,叶片包角取130°时,径向力脉动最为紊乱,叶片包角取110°时,径向力脉动幅值较大;整体来看,叶片包角120°的方案性能最优。该研究可为低振动离心泵的水力优化设计、增强泵的运行稳定性提供参考。     

隔舌形状对离心泵水力性能的影响

为了探讨蜗壳隔舌形状对离心泵水力性能的影响,本文以一台中比转速离心泵为研究对象,采用数值模拟的方法得到离心泵定常时的内外特性以及非定常时的压力脉动特性。研究结果表明,隔舌安放角在大流量下对离心泵的外特性影响较大,小流量及设计工况下影响较小,在设计工况下存在一个最佳的隔舌安放角使其效率最佳。随着隔舌安放角的增大,离心泵的蜗壳隔舌和出口处的压力增大,湍动能分布更为均匀,靠近隔舌处的高速区面积增加,同时蜗壳出口处的低速区范围加宽。非定常情况下的压力脉动呈周期性变化,且压力脉动随隔舌安放角的增加而减小,当隔舌安放角越大时变化的差异越小,说明适当增大隔舌安放角有助于改善离心泵的内部流动情况以及减小离心泵的压力脉动,提高其水力性能。     

交错叶片对双吸离心泵性能特性影响分析

为了积极响应及实现国产化要求,对原进口泵进行整机国产化研制,通过数值模拟分析了叶轮叶片交错角度为0°、15°、30°时离心泵内的流态和压力脉动。结果表明:随着叶片交错角度的增大,小流量工况下,扬程值逐渐降低,效率值无明显变化;大流量工况下,扬程值和效率值逐渐增大;额定工况下,随着叶片交错角度的增大,压出室对称分布的两个单独流道同一位置处静压值逐渐增大,相对速度值逐渐减小,而叶片处的相对速度值无明显变化。压出室内压力脉动幅值随着叶片交错角度的增大出现明显的减弱现象。同一叶片交错角度下,随着压出室过流断面的增加,压力脉动幅值逐渐减小,隔舌位置处压力脉动幅值受动静干涉作用最大。站场运行结果表明,叶片交错角度为30°的国产泵较原进口泵振动值减小、耗能降低、泵运行平稳且效率高。     

离心泵蜗壳内部非定常流动测量

利用LDV（激光多普勒测速仪）在最优工况和小流量工况下测量了比转速为93的单级悬臂蜗壳离心泵输送水时蜗壳内的非定常流动。研究表明,蜗壳内液体速度随叶轮转过角度呈周期性脉动。随着测量点离叶轮出口距离的增加,液体圆周分速度衰减较快,变得越来越均匀,周期性脉动越来越弱。速度波动值随测量点与叶轮出口距离增大而减小,其波动幅度占速度平均值的30％-70％。液流角波动值比速度波动值高1—2个数量级。离隔舌越近,速度和液流角波动值越大,隔舌对非定常流动的影响越显著。小流量工况的速度和液流角波动值比最优工况高。流动沿叶轮圆周是非轴对称的。蜗壳内流动是扩散的。小流量工况下,蜗壳流速比最优工况更不均匀,扩散更严重。     

离心泵径向力的数值分析

利用CFD软件,用数值模拟分析了离心泵的内部流动。对比试验与数值计算外特性曲线,趋势一致,说明本文应用数值计算结果建立的离心泵径向力计算模型具有一定的准确性。通过叶轮出口不同截面的静压分布图,探讨叶轮出口各截面的静压分布规律。利用离心泵径向力的数学计算模型,得出各个工况下叶轮所受的径向力。其值与经验公式计算值进行比较,变化趋势一致,进而用现代数值模拟的方法验证了用经验公式计算径向力的准确性。     

D46-50X4型节段式多级离心泵轴向力研究

节段式多级离心泵是一种广泛应用于工农业等国民经济各个行业的机械装备,由于其结构的复杂性,对其水力性能优化和平衡轴向力一直是多级离心泵的研究重点。文中以型号为D46-50X4的节段式多级离心泵为研究对象,建立了叶轮和导叶对中、叶轮相对导叶左移1mm、左移2 mm、右移1 mm、右移2 mm五种装配关系的单级全流场水体模型,选取0.25Q、0.5Q、0.8Q、1.0Q、1.5Q、2.0Q六个工况点进行数值模拟计算,根据计算得到的单级扬程、效率和轴向力及其分力值,做出不同工况下相关受力曲线图,分析总结了多级离心泵轴向力及其分力、单级扬程和效率在不同工况、不同轴向间隙时的变化规律。     

螺旋离心泵不同工况下流固耦合受力分析

螺旋离心泵叶轮结构不对称性，在运行过程中所受一定的轴向力和径向力，对运行效率具有较大影响。对螺旋离心泵进行了全流道固液两相流计算，对叶轮表面压力分布、叶轮表面应力分布进行了分析，得出随着工况不断向大流量方向偏移，叶轮表面的压强逐渐增大，但叶片工作面和背面之间的压差却越来越小。流量和扬程呈负相关的关系，即流量越大，扬程越低。螺旋离心泵在运行过程中存在极大的轴向力，还受到一定的径向力。轴向力随着流量的增大而增大，扬程的增大而减小。螺旋离心泵在设计工况下运行最为稳定，越是偏离设计工况，内部流动情况越为紊乱，螺旋离心泵运行越不稳定，叶轮表面应力分布同样呈现出与流量负相关，即流量增大，叶片的应力和应变变小，在进行叶轮设计时，应在小流量工况下进行强度校核。