水泵水轮机旋转失速现象综述北大核心CSCD

旋转失速是水泵水轮机等旋转流体机械内部流动中普遍存在的不稳定现象。本文综述了水泵水轮机在水轮机工况运行过程中的旋转失速现象的主要特征及其传播特性。一方面,本文详细介绍了水泵水轮机旋转失速的基本概念、产生条件、形成机理以及失速团的传播和发展。另一方面,本文综述了识别旋转失速的常用方法,包括压力脉动时域和频域信号分析、气泡与线簇可视化实验等。为了进一步探究旋转失速对机组稳定性的影响,文章最后提出了两个在旋转失速研究中值得关注的问题。     

水泵水轮机旋转失速现象综述

旋转失速是水泵水轮机等旋转流体机械内部流动中普遍存在的不稳定现象。本文综述了水泵水轮机在水轮机工况运行过程中的旋转失速现象的主要特征及其传播特性。一方面,本文详细介绍了水泵水轮机旋转失速的基本概念、产生条件、形成机理以及失速团的传播和发展。另一方面,本文综述了识别旋转失速的常用方法,包括压力脉动时域和频域信号分析、气泡与线簇可视化实验等。为了进一步探究旋转失速对机组稳定性的影响,文章最后提出了两个在旋转失速研究中值得关注的问题。     

大型离心泵驼峰不稳定特性改善技术研究

大型调水工程泵站的水泵型式常采用离心式,而低比转速离心泵在小流量工况下易产生驼峰,引发流动分离、进口回流、旋转失速等不稳定现象,造成大量能耗,在运行中可能出现不稳定工况,影响泵的安全运行。本文针对某泵站进行具体的参数选型,提出了2种方案。通过CFD建模、数值仿真计算、模型加工试验等手段,验证了通过叶轮优化来改善水泵的驼峰裕度,为大型离心泵的稳定运行,提供了设计参考。     

电站轴流风机动叶异常偏转及失速状态下的叶轮应力特性分析

基于N-S方程和Realizable k-ε湍流模型,采用数值计算方法模拟了某电站轴流风机相邻两动叶+9°异常偏转及失速工况下叶轮内部的非定常流场特征,并研究了动叶异常偏转及失速工况下的叶轮应力特性,研究结果表明,失速发生后,叶轮流道内产生一个大约占据一半流道的完整失速团;+9°异常偏转叶片能够减弱失速团带来的气动载荷扰动,但最大等效应力值增加幅度较大,降低了叶轮的安全系数;旋转失速发生后,正常叶轮和异常叶轮的最大等效应力均小于屈服强度,未达到屈服状态。     

离心风机旋转失速状态下的流体动力学特征

基于节流阀函数及Navier-Stokes方程,对电厂常用的G4-73型后向式离心风机的旋转失速现象进行了非定常数值模拟。结果表明,失速先兆呈现明显的模态波形,存在一个传播速度为62.9%wr的失速团。风机失速频率为14.15 Hz,与实验结果一致。分析旋转失速发生前后4个典型时刻的流场动力学特征,并研究失速团的周向传播规律,相对坐标系下失速团沿着与叶轮相反的旋转方向传播。失速区全压波动曲线的规律研究揭示了失速团的相对位置及传播速度是影响风机全压波动及其频率的根本原因。研究结果对旋转失速故障的预估及主动控制具有重要意义。     

离心压气机无叶扩压器内部流动三维数值研究

无叶扩压器是离心压气机的重要部件,研究其内部流场掌握其流动特点,对于提升无叶扩压器性能及了解失速诱发原因具有重要意义。本文利用Workbench15.0软件对离心压气机进行模型建立和数值模拟,对不同流量下离心叶轮和无叶扩压器内部流场进行分析。结果表明:无叶扩压器回流区首先出现在其轮毂侧,随着流量的减小回流区出现在无叶扩压器前盘侧,当流量进一步降低回流区出现在无叶扩压器壁面两侧;出现回流区时无叶扩压器并不会立即进入失速状态,随着回流区域的扩展当其中一侧回流区发展到无叶扩压器出口时无叶扩压器进入旋转失速状态;无叶扩压器内的不稳定流动状态可以用无叶扩压器内静压升系数表示,无叶扩压器失速发生时静压升系数也会随之下降。     

轴流泵运行工况对叶轮室进口预旋的影响

轴流泵叶轮室进口水流的流态对大型低扬程泵站水泵的安全、稳定和高效运行具有很大的影响。采用模型试验方法和三维湍流流动数值模拟方法,分别研究了轴流泵泵段装置叶轮室进口和立式轴流泵装置叶轮室进口的流态,得到以下主要结论：（1）叶轮室进口流态与水泵运行工况密切有关;（2）在正常运行工况范围内,叶轮室进口水流基本上为轴向流动,无预旋现象;（3）在小流量工况运行时,叶轮室进口的外圈水流出现与叶轮转动方向相同的预旋流动,但内圈水流仍向叶轮室方向流动,而中圈的水流则在预旋流动与轴向流动两种状态之间摆动;（4）轴流泵叶轮室进口在小流量工况发生预旋现象是泵内发生＂二次回流＂的内特性表现,水泵性能曲线出现马鞍形区则为其外特性表现。     

低比转速离心泵叶轮瞬态空化特性分析

低比转速离心泵叶轮流道宽度较小且较为狭长,流道进口容易被空化状态下的空泡堵塞,诱发严重的振动和噪声,不利于机组安全稳定运行。针对比转速为45的离心泵,采用RNG k-ε湍流模型与Zwart-Gerber- Belamri空化模型,对不同工况下的非定常空化流场进行模拟计算,准确预测了不同工况下的空化余量-扬程曲线,并得到空化初生位置与空泡的时空演变和径向力变化。计算结果表明,不同工况下由空化产生空泡的非定常特性也有所不同。在小流量（0.8Qd）工况下发现,NPSH = 4.75 m时在一个叶轮旋转周期内各个流道的空泡区变化规律明显,空泡区变化表现为收缩、稳定、再生长;NPSH = 3.61 m时空区泡的变化规律为5个叶轮旋转周期,叶片上的空泡区经历稳定—分离—生长—局部脱落周而复始的过程。在设计工况（1.0Qd）下,叶轮中的空泡分布相对均匀,而大流量（1.2Qd）工况下空泡的分布并不对称,出现了交替堵塞的现象。未发生空化时,叶轮径向力分布呈规则的五角星状,随空化发展,叶轮内非对称分布的空泡区致使径向力分布紊乱。     

核主泵内部流动干涉的瞬态效应研究

为了揭示核主泵叶轮和导叶的流动干涉效应,采用相似换算法和多参数匹配法,基于RNG k-ε湍流模型与块结构化网格,对缩比系数为0.5的模型泵进行非定常数值模拟。结果表明:扬程脉动幅值与运行工况有关,额定工况时扬程脉动的幅值最小,偏离最优工况时,扬程脉动幅值逐渐增大。导叶内部流道产生不稳定的流量脉动效应,大于0.8Qd工况时,导叶内流量脉动瞬态效应不明显;小于0.8Qd工况时,导叶内流量脉动趋于不稳定。考虑到机组的水力稳定性,运行工况应大于0.8Qd。动静干涉使导叶内静压分布呈现周期性脉动,导叶压力面平均脉动幅值最大,吸力面平均脉动幅值最小,压力脉动的周期与叶轮叶片数有关;导叶内静压分布与叶轮尾缘和导叶前缘相对位置有关,叶轮尾缘对导叶入口流动的阻塞效应,是诱发导叶内静压脉动的主要原因。     

第一级单个动叶安装角异常对两级轴流风机旋转失速的影响

以某电站两级动叶可调式轴流风机为研究对象,基于节流阀UDF函数和SST k-w湍流模型,对轴流风机第一级动叶轮中单个叶片异常偏转角度分别为+6°和-6°时的旋转失速现象进行数值模拟。计算结果表明:当轴流风机第一级动叶轮中存在叶片安装角异常时,会引起风机提前进入失速,动叶异常偏转角度为+6°和-6°时,轴流风机失速裕度分别为21.06%和20.93%,较叶片正常偏转时分别降低了6.73%和6.86%;第一级单个动叶安装角异常对两级轴流风机失速诱发起始位置及失速类型几乎没有影响,与动叶正常偏转时相同;第一级动叶轮内单个叶片安装角异常对两级动叶轮内由失速先兆演化为失速团的三维非定常演化过程具有重要影响。研究结果进一步丰富了对多级轴流叶轮机械旋转失速复杂流动现象的认识。     

偏工况下气液两相离心泵喘振特性

当离心泵在小流量工况运行且传输介质为气液两相流时，含气率达到某一值时，会发生喘振现象，导致泵的扬程突降。本文采用计算流体动力学分析方法对一气液两相流离心泵进行了研究，通过对外特性曲线进行分析，发现了学者们所提到的喘振现象。为了提高离心泵在气液两相小流量工况下的水力特性，引入一种空腔结构，分析其对气液两相离心泵内部流场的影响及喘振的改善作用。结果表明：在气液两相喘振工况下，空腔结构可以改善叶片正背面的压力分布，均匀气液两相在叶轮流道中的分布，有效减轻离心泵的气堵现象。因此，空腔结构不仅在结构上可以平衡叶轮、减轻泵的整体质量，还可以减轻流场中气液分离现象，避免喘振的发生，提高泵的水力性能。     

空化对低比转速离心泵内流声特性的影响研究

为了研究空化对低比转速离心泵内流声特性的影响,采用数值模拟和实验测量相结合的方法,研究了其在不同空化数下的压力脉动和流动噪声特性,并对典型位置处的压力脉动频域特性及声压频率响应进行了重点分析。结果表明：随着空化的发展,泵内低频及宽频脉动加剧。临界空化时,1/6倍转频成为了叶轮进口处的压力脉动主频,蜗壳区域内叶频虽仍为压力脉动主频,但1/6倍转频已成为了较为显著的次频。动静干涉作用引起的压力脉动是流动噪声的主要噪声源。空化诱导的噪声为宽频噪声,且主要集中在1000 ~ 2000 Hz高频段内。叶轮旋转偶极子声源作用下的特征频率处声压级随着空化的发展而下降;蜗壳偶极子声源作用下的特征频率处声压级随着空化的发展而增大,且叶频倍频处特征频率逐渐被淹没在其高频宽频段中。该研究可为低比转速离心泵中探究流声特性变化规律、降低因空化而加剧的振动和噪声提供必要的依据。     

电站离心风机旋转失速的三维数值模拟

基于标准K-ε湍流模型,对电站锅炉常用的G4-73No.8D型离心风机的旋转失速现象进行数值模拟.使用用户自定义函数(user-defined function,UDF)编制程序,在定常计算结果收敛的基础上在风机出口截面引入节流阀模型进行非定常计算,模拟离心风机内的旋转失速流动.计算结果表明,随着阀门开度的减小,风机逐...     

来流攻角与扩压对翼型涡旋脱落的影响

为了对叶轮机械中旋转失速的成因提供参考,深入理解旋转失速涡团的产生过程和规律,基于RANS方法对NACA0009翼型综合考虑来流攻角和扩压影响的情况进行了数值模拟,并使用翼型试验段进行实验测量。研究表明:在来流攻角与扩压条件同时具备的条件下,易出现涡流脱落的非稳态特性。在攻角较大时,涡旋脱落频率随着与来流攻角的增加而减小,频率幅度增加。流场中存在多种频率的不稳定流动,小攻角时频率分布均匀,大攻角时频率集中在低频。RANS方法可以对低频信号给出较好的模拟结果。     

离心泵内诱导轮与叶轮轴向相对位置的探讨

离心泵内诱导轮与叶轮的轴向相对位置会对叶轮内的流动产生影响,从而影响整台泵的性能。为研究诱导轮相对叶轮不同轴向位置下离心泵内部的不稳定流动特性及其对离心泵水力性能的影响,本文以某单级离心泵为研究对象,采用数值模拟方法初步探讨了诱导轮相对于叶轮在三种不同轴向位置下离心泵的内部流动特性,分析了其外部特性、叶轮所受的径向力、水压脉动特性及空化特性等。结果表明,针对本文研究的三种轴向位置而言,离心泵的扬程和效率随诱导轮和叶轮间轴向距离的增大逐渐提高,扬程的最大值较最小值增幅达1.8%,效率变化达4.3%;诱导轮和叶轮间的轴向相对位置对叶轮和径向导叶间的相互干涉有影响,从而影响叶轮所受径向力的大小和方向;轴向距离从0.05D1增加到0.1D1时,离心泵的空化性能明显提高;从0.1D1增加到0.15D1时,空化性能变差;改变轴向位置直接影响叶轮进口压力脉动特性。     

Influence of hydrophibization of impellers of centrifugal pumps on their operating characteristics

This work presents experimental estimation results of changing of basic operation characteristics of a group of centrifugal pumps covering a range of values of dimensionless power-speed coefficient n _s from 33 to 330 after hydrophobization of their impellers' surfaces. Hydrophobization of functional surfaces of impellers in all experiments was performed by formation of structures of organic covers by technology of MPEI NRU, which provides increasing of limiting wetting angle of surfaces to 120° and greater. Results of experimental researches of the influence of hydrophobization of impeller surfaces for high-speed pump (n _s = 330) on its characteristics is presented for the first time. Positive effect of applying hydrophobization technology to impeller surfaces in all the considered range of power-speed coefficient was generalized and estimated. It was shown that hydrophobization of impeller surfaces of centrifugal pumps provides increment to their efficiency factors within an acceptable operation range from 0.5 to 7.5%. Empiric function defining dependencies of efficiency factor increment of pump on relative supply and power-speed coefficient are suggested. Possibilities and estimation of extending acceptable operation range of a pump depending on powerspeed coefficient as a result of impeller surface hydrophobization are shown. Experimental data of comparative cavitation tests of high-speed pumps before and after hydrophobization of their impeller surfaces are generalized for the first time for considered range of power-speed coefficient values. The influence of power-speed coefficient on changing of critical net pump suction head (critical positive suction pressure) is shown. Based on existing knowledge on pumps, an attempt to validate experimentally obtained lows of changing of power and anticavitation features of centrifugal pumps after hydrophobization of their impeller surfaces is made.