不同导叶数混流泵的压力脉动分析

为了研究不同导叶数混流泵内部流场压力脉动情况,应用商业软件Numeca分别对模型1(4叶片、11导叶数)和模型2(4叶片、7导叶数)进行非定常数值模拟。通过设置监测点,得到了叶轮和导叶位置的压力脉动结果并进行频域分析。结果表明,模型1和模型2的叶轮内,工作面尾缘的脉动幅值大于前缘,背面前缘的脉动幅值大于尾缘,压力脉动最大值出现在叶片工作面尾缘,而导叶内压力脉动幅度均由叶片前缘到尾缘逐渐减小。除此之外,随着导叶叶片数增多,叶轮叶片工作面尾缘最大压力脉动幅值位置的压力脉动幅值增大,可以采用减少导叶叶片数的方法降低此部分的压力脉动幅值。     

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。     

叶轮形式对双吸离心泵压力脉动特性影响试验研究

双吸离心泵压力脉动是影响水泵机组运行稳定性的关键因素之一.为研究叶轮形式对双吸离心泵压力脉动的影响,对5种方案的叶轮进行压力脉动同台试验.通过在吸水室和压水室壁面布置压力脉动传感器,采集各个测试流量下的压力脉动信号,并进行混频幅值和频谱分析,得到吸水室和压水室的压力脉动分布规律.结果表明:双吸离心泵普遍存在叶片通过频率、泵轴旋转频率和低于轴频的低频脉动成分.相对于传统双吸叶轮,两侧叶片交错布置后可改善压力脉动特性;调整叶片出口边形状,增加叶片后盖侧的包角,可明显降低压水室叶片通过频率的脉动幅值,减轻动静干涉的危害;采用长短叶片形式可改善叶轮进口流态,降低吸水室的压力脉动,改善小流量工况下压水室的压力脉动特性.     

高速离心泵的压力脉动特性分析

为揭示高速离心泵的水力不稳定性,采用雷诺时均方法和SST k-ω湍流模型,对一带前置诱导轮和半开式复合叶轮的高速泵进行了不同工况下三维非定常湍流数值模拟,得到了泵内部流场特性及泵内监测点的压力脉动情况,并对其进行了频谱分析。结果表明,由于诱导轮、叶轮与扩压器的动静耦合作用,高速泵内存在比较明显的压力脉动。叶轮域从叶片入口到出口,压力脉动的峰峰值逐渐增加;相同径向位置处工作面的压力脉动明显高于非工作面。叶轮内压力脉动的频率为3fr(导叶叶片数×叶片通过频率)及其倍频,主频为3fr。导叶扩压器域内隔舌位置处的压力脉动峰峰值最大。随着水流向下游流动,扩压器内的压力脉动逐渐减小。螺旋线部分压力脉动的主频为3fr,与诱导轮叶片的通过频率相吻合。扩散段部分压力脉动的主频为7fr,与叶轮长叶片的通过频率吻合。     

S形下卧式轴伸贯流泵装置叶片区压力脉动特性研究

为研究S形下卧式轴伸贯流泵装置叶片区压力脉动特性,采用非定常CFD方法对不同工况时泵装置进行了全流道三维非定常流场数值计算,通过在叶片区设置监测点以获得叶片区关键位置的压力脉动数据,并进行频谱分析。通过与实测泵装置扬程和效率对比,证明该方法能较准确地反映泵装置内部非定常流动特征。研究表明:高效工况和大流量工况时,转轮进口和出口的脉动幅值从轮缘向轮毂侧逐渐减小,小流量工况时未呈现该规律,各工况时转轮进口和出口脉动主频受叶频控制。流量系数KQ在(0.368~0.552)范围内转轮进口处同一监测点的压力脉动幅值随流量增大而降低,转轮与导叶体间的脉动幅值随流量的增加先减小后增大,在高效工况附近脉动相对最小。导叶体出口的压力脉动主频受叶频的影响较小,未与导叶体叶片数成规律。     

模型可逆式水泵水轮机S区压力脉动测试

S区特性是影响可逆式水泵水轮机过渡过程工况运行稳定的重要影响因素,通过研究模型水泵水轮机S区压力脉动可以为准确预测真机过渡过程工况下的特性奠定基础,为设计和运行提供有效指导。本文在某模型水泵水轮机特性试验的基础上,对S区包括蜗壳进口、无叶区、尾水锥管和尾水肘管等测点的压力脉动进行了测试,获得了各测点压力脉动混频幅值的分布与频率成分变化情况。测试结果表明:在等开度线上,飞逸工况时各测点的压力脉动混频幅值达到最大;同一工况点,无叶区压力脉动大于蜗壳进口压力脉动;沿流道方向,无叶区、锥管0.4D2、锥管1.0D2和肘管压力脉动依次减小;S区部分工况点存在主频为0.63fR的旋转失速频率;0.18fR频率成分广泛分布于S区内各工况点和测点中,引起这方面的原因可能是尾水管中的低频涡带、低频振荡或装置固有频率。     

基于Kriging插值的失谐叶盘气动 结构耦合振动特性分析

以某型航空发动机压气机转子为研究对象,考虑叶盘间动静干涉的影响,对压气机叶盘转子内部的三维流场进行了模拟。通过静频试验引入叶片失谐量,基于Kriging模型完成了耦合界面载荷数据的传递,分析了压气机转子叶片表面非定常气动载荷的分布规律,并讨论了失谐和气动载荷对压气机转子叶盘系统振动特性的影响。结果表明：压气机叶片受到的气动载荷为非定常脉动压力,主导频率为动静干涉频率f0的倍频;在干涉周期T内,压力面和吸力面气动载荷的变化呈相反趋势,且压力面气动载荷的非定常性明显大于吸力面气动载荷的非定常性;失谐和气动载荷的作用加剧了叶盘系统的振动。研究结果为压气机叶盘转子系统的动力学设计提供了理论依据。     

离心式压缩机声共振分析与试验验证

声共振是离心式压缩机叶片破坏失效的一个重要原因,但是当前国内对其理论研究却非常有限,特别缺少有效的试验验证。为有效研究声共振的影响,首先从压缩机声腔的仿真分析入手,应用LMS Virtual.Lab Acoustics仿真软件对压缩机声腔的声模态进行计算,获取其特征频率及对应的振型。通过改变叶片的通过频率来改变气流的激振频率,当叶片通过频率与空腔声模态频率相近时将产生声共振。采用压缩机模型级试验台进行验证,进行压缩机声腔的压力脉动测试,获取不同转速下的叶片通过频率对应的特征幅值,声共振造成压力脉动幅值将成倍增加,进而产生较强的破坏作用。验证了声共振将造成的压缩机内部压力脉动大幅度增加,为大型离心式压缩机组的叶片状态监测与破坏抑制提供依据。     

叶片分布方式对微型风机气动噪声影响的数值研究

为探索不等距布置叶片对一种微型风机气动噪声的影响,提出5种叶片分布方式进行性能和气动噪声性能分析。首先利用Realizable k-ε模型求解微型风机内部的非定常流动和性能,并获得声源项信息和风机出口压力脉动,最后采用FW-H方法预测风机出口的气动噪声。数值结果表明,叶片分布不均匀度较小时,分布方式对风机性能影响较小,过大则会引起全压和效率的下降;风机出口压力脉动和声压级有很强的相关性,叶片分布不均匀度在一定范围内可以降低压力脉动主频的幅值和声压级,但超过该范围,将会导致低于叶片通过频率的压力脉动幅值明显增加,该频率的声压级也随之增加。     

压力脉动法诊断离心泵汽蚀的试验研究

汽蚀发生时，离心泵进出口原有压力脉动强度会发生变化。本文对离心泵进口压力进行了测试和频谱分析，弄清了汽蚀脉动频率的出现范围，找到了可以用于监测早期汽蚀故障的脉动频率，并确立了该脉动频率下脉动幅值和汽蚀余量的对应关系。     

Numerical simulation of pressure fluctuations in a large Francis turbine runner

The pressure fluctuation caused by unsteady flow in runner is one of the main reasons of vibration for a large Francis hydraulic turbine. It directly affects the steady operation of the hydraulic turbine unit. The existing research of the pressure fluctuation in hydraulic turbine mainly focuses on the unsteady flow in draft tube. Accurate distribution of pressure fluctuations inside a runner is not very clear. In this paper, the numerical method for predicting the pressure fluctuations in runner is investigated and the numerical simulation is performed for a large Francis hydraulic turbine. It is proved that the combination of shear-stress transport(SST) k-w turbulence model and pressure-implicit with splitting of operators(PISO) algorithm could give more reliable prediction of pressure fluctuations in runner. The frequencies of pressure fluctuations in runner are affected by the flow in guide vane and the flow in draft tube. The first dominant frequency is significantly determined by the flow in draft tube, especially at part load condition. This frequency is approximately equal to one-third of the runner rotating frequency. The evident second dominant frequency is exactly equal to the guide vane passing frequency. The peak-to-peak amplitudes of pressure fluctuations in runner at small guide vane open angle are larger than that at large open angle at the same operating head. The amplitudes at points on blade pressure surface are generally greater than that on suction surface. The research results could be used to direct the hydraulic design and operation stability improvement of a large Francis hydraulic turbine.     

Experimental Investigation of Inter-Blade Vortices in a Model Francis Turbine

The inter-blade vortex in a Francis turbine becomes one of the main hydraulic factors that are likely to cause blade erosion at deep part load operating conditions. However, the causes and the mechanism of inter-blade vortex are still under investigation according to present researches. Thus the causes of inter-blade vortex and the effect of different hydraulic parameters on the inter-blade vortex are investigated experimentally. The whole life cycle of the inter-blade vortex is observed by a high speed camera. The test results illustrate the whole life cycle of the inter-blade vortex from generation to separation and even to fading. It is observed that the inter-blade vortex becomes stronger with the decreasing of flow and head, which leads to pressure fluctuation. Meanwhile, the pressure fluctuations in the vane-less area and the draft tube section become stronger when inter-blade vortices exist in the blade channel. The turbine will be damaged if operating in the inter-blade vortex zone, so its operating range must be far away from that zone. This paper reveals the main cause of the inter-blade vortex which is the larger incidence angle between the inflow angle and the blade angle on the leading edge of the runner at deep part load operating conditions.     

静叶尾迹对压气机动叶非定常气动载荷的影响

以某型航空发动机压气机转子系统为研究对象,建立了单级叶盘的三维结构及流场模型。通过对滑移网格(sliding mesh,简称SM)方法与运动坐标系(moving reference frame,简称MRF)方法在计算耗时和收敛性方面的比较,证明了运动坐标系方法的准确性和高效性。考虑前一级静叶尾迹的影响,求解压气机内部在不同时刻的流动特性,得到静叶尾迹对动叶流场的非定常干扰情况。经过对压气机叶顶和轮毂、动叶压力面和吸力面非定常气动载荷的分析发现:在动叶流场的前缘形成了较主流区压力和速度较低的不均匀流场,且在动叶前缘叶顶位置受到的气动载荷最为显著;动叶压力面和吸力面气动载荷的分布规律相反,从叶顶至轮毂、前缘至尾缘,压力面非定常气动载荷的大小和波动幅度逐步递减,而吸力面却与其相反,呈现出逐步递增的趋势。该研究为某型航空发动机压气机叶盘转子系统的动力学设计提供了理论依据。     

混流式水轮机的非定常流动分析

通过混流式水轮机定常和非定常流动计算,研究混流式水轮机在不同开度下的流动特点,阐述非定常流动分析结果。非定常流动计算结果表明:开度a12时,转轮出口靠近上冠处压力脉动不显著,中间流线和下环处脉动较为强烈;尾水管中涡带主要集中于直锥段,呈螺旋型,在肘管处逐渐变小消失。尾水管内部压力脉动主要集中在直锥段和肘管,频率为低频,是转频的0.233倍;其中直锥段脉动幅值较大,内外两侧压力脉动频率基本一致。开度a24时,转轮出口靠近上冠处没有回流,脉动小,中间流线和下环处压力脉动更为剧烈,脉动频率为转轮频率与叶片数乘积的倍数;尾水管涡带在直锥段水流形成的呈柱状涡,在肘管变成较小的螺旋型涡带,其结果是长的涡带在尾部形成像钻机式的切削作用,对水轮机效率和稳定性产生严重的影响,涡带的长度为研究混流式水轮机尾水管深度和优化设计提供理论依据。     

泵源与机体共同激励下液压管路振动特性

车辆液压系统在工作过程中会受到车体振动与泵源液压脉动双重激励的影响,对压力波的传递及管网的振动产生重要影响。针对车辆液压系统泵源激励和车辆机体激励产生的振动进行分析,研究多源激励下管路的振动规律及压力波的传递规律。首先对泵源与机体共同激励下管路振动的计算方法进行了分析,将流体域动力学方程与固体域动力学方程进行组合,建立了流固耦合的总体动力学方程,然后对方程进行离散求解。基于理论推导,采用数值模拟的方法对液压管路的振动进行了分析,研究发现,液压系统在泵源谐波激励下的振动响应表现为宽频域的强迫振动,其谐波频率与泵源流体压力脉动频率保持一致,当泵源产生的压力脉动频率与液压管路的固有频率接近时,会激起管路结构大幅度共振响应。     

基于耳蜗基底膜仿生原理的液压脉动衰减器滤波特性研究

为解决液压系统中由于压力脉动引起的振动和噪声问题,从仿生学角度出发,根据人耳听觉形成过程及耳蜗基底膜的宽频振动响应特征,研究耳蜗基底膜振动的"空间-频率"特性,提出一种仿耳蜗基底膜振动特性的液压脉动抑制方法。设计一种以仿生膜片为共振体的结构紧凑灵巧的液压脉动衰减器,克服了传统液压脉动衰减器结构复杂、体积庞大的缺点。基于流固耦合原理,分析仿生膜片在压力流体中的振动特性;结合管路动态特性,建立脉动衰减器的传递矩阵模型,用插入损失对脉动衰减性能进行评价;通过脉动衰减器样机的试验检验其滤波减振性能。理论和试验结果表明该液压脉动衰减器能够有效衰减液压系统有效频率的压力脉动,并且在较宽频带内有较好的滤波效果,实现了广谱滤波。     

电机断条故障下液压动力源特性仿真研究

以异步电机和齿轮泵组成的液压动力源为研究对象,深入分析了电机转子断条故障引起的电磁转矩、转速和功率产生脉动的机理。利用多回路法建立了电机转子断条故障下液压动力源的动态数学模型,并对其主要机、电、液参数进行仿真分析,结果表明,电机发生断条故障时,由于定子电流边频分量与转子系统的耦合作用,使得液压动力源的输入输出参量均出现不同程度的脉动,脉动程度与频率均随故障程度的加剧及负载的增大而增大,影响液压动力源的平稳运行;同时证明,电机发生转子断条故障时,液压动力源的效率亦大幅下降。     

The effect of runner blade loading on the performance and internal flow of a Francis hydro turbine model

As a core component of a hydropower station, hydro turbines play a vital role in the integration of a power station. Research on the technology of hydro turbine is continuously increasing with the development of water electricity. It is effective and successful to design a Francis turbine runner blade with good performance by one-dimensional hydraulic design method. For the one-dimensional hydraulic design, the runner blade angle at leading and trailing edges can be defined by calculation of Euler’s head. Design of the runner blade profile at several cross sections is needed to design a runner shape. In this study, there are three different blade loadings conducted to compare the internal flow characteristics and performance. The result shows that the front loading achieves the best efficiency in comparison to other loadings, which is good at suppressing the loss at draft tube.     

电液加载系统中溢流阀调压脉动的吸收方法研究

电液加载系统是高精度的力控制系统,通常需由溢流阀获得恒定的压力油源,工程实践发现,电液加载系统对溢流阀动态调压偏差造成的低频随机调压脉动十分敏感,该脉动往往导致系统的加载力出现跃变、加载精度严重下降,甚至引起系统不稳定。针对上述问题,采用蓄能器吸收该调压脉动,保证刚度下降在系统可容忍的范围内,建立了电液加载系统中用于吸收低频随机调压脉动的蓄能器数学模型。一个具体实例的仿真结果表明：当典型的调压偏差导致的调压脉动频率在0~1.14 Hz范围内,幅值在1~6 MPa之间,系统刚度下降不大于20%的条件下,蓄能器可有效吸收该调压脉动;对于同容积大小的蓄能器,随着调压脉动频率的增大,吸收效果变差;对于同频率的调压脉动,存在一个最佳容积和充气压力的组合,在该参数组合下调压脉动的吸收率最大。     

Numerical simulation of cavitation surge and vortical flows in a diffuser with swirling flow

The strong swirling flow at the exit of the runner of a Francis turbine at part load causes flow instabilities and cavitation surges in the draft tube, deteriorating the performance of the hydraulic power system. The unsteady cavitating turbulent flow in the draft tube is simplified and modeled by a diffuser with swirling flow using the Scale-adaptive simulation method. Unsteady characteristics of the vortex rope structure and the underlying mechanisms for the interactions between the cavitation and the vortices are both revealed. The generation and evolution of the vortex rope structures are demonstrated with the help of the iso-surfaces of the vapor volume fraction and the Qcriterion. Analysis based on the vorticity transport equation suggests that the vortex dilatation term is much larger along the cavity interface in the diffuser inlet and modifies the vorticity field in regions with high density and pressure gradients. The present work is validated by comparing two types of cavitation surges observed experimentally in the literature with further interpretations based on simulations.