离心泵S形叶片流动特性及水力性能分析

对离心泵而言，叶片出口角β₂是影响泵性能的一个重要参数。基于Fluent离心泵全流场数值模拟，对某型号低比转数离心泵进行了大出口角叶形的改形设计，研究了不同大出口角对离心泵水力性能的影响，并对比分析了原模型泵与S形叶片离心泵水力特性及流动特性。结果表明：离心泵扬程随着出口角的增大而增大，在出口角为90°时达到最大值。当出口角为90°时，S形叶片的水力性能最佳，在设计工况下及大流量工况泵扬程显著提升且效率有小幅度提升，但小流量工况下泵效率略有下降。S形叶片可以有效抑制离心泵叶轮内的边界层分离现象，且随着流量的增大抑制效果越明显。     

叶片厚度分布对离心泵流动结构及性能的影响

为研究叶片厚度分布对离心泵性能的影响,在保证蜗壳和叶轮其他参数不变的情况下,设计了3种不同叶片厚度分布的模型,采用定常和非定常数值计算方法分别获取不同模型的外特性和压力脉动情况,并结合内部流动结构进行对比分析。结果表明：采用抛物线型非均匀叶片厚度分布方式能够显著提高离心泵性能,在设计工况下厚度较大的模型相比初始模型扬程提高0.38 m,效率提高3.07%;非均匀叶片厚度分布能够改善泵内流场,通过减小叶轮中部叶片载荷变化梯度,从而有效减少叶片间轴向旋涡,但在一定程度上加剧了尾缘流动分离;泵内非定常压力脉动主频集中在叶频上,采用非均匀叶片厚度分布能够显著降低泵内不同位置处的压力脉动幅值,相比初始模型,2个厚度优化模型在叶轮出口各监测点处的平均叶频脉动幅值分别降低了21.7%和33.5%,一定程度减弱了泵运行过程中的流致振动。     

基于CFD对旋喷泵两种叶片结构的数值模拟及性能比较

采用封闭式叶轮结构,设计了长短复合式S型叶片和矩形流道断面叶片两种不同叶片结构的旋喷泵水力模型;利用ANSYS-CFX软件对两种水力模型的流场进行三维数值模拟,分别得到两种模型的压力场、速度场。通过对设计方案扬程、效率、轴功率的计算,分析了两种旋喷泵水力模型的性能特征。模拟计算结果表明:对于小流量旋喷泵的叶轮结构,矩形流道断面叶片的性能优于长短复合式S型叶片。     

一种计算低比转速离心泵加大系数的方法

依据离心泵叶轮出口宽度、比转速的计算式推导得出了计算低比转速离心泵流量、扬程及比转速放大系数的计算公式,公式体现了放大系数和叶轮水力参数间的关系。提出了建立在离心泵性能预测基础上的理论计算低比转速离心泵最佳流量、扬程及比转速放大系数的方法,解决了泵行业一直依据经验统计值确定其放大系数不能使低比转速离心泵在设计点效率最高这一问题。实例表明:提出的方法能够提高低比转速离心泵在设计工况点的效率,充实了低比转速离心泵的设计理论。     

叶片包角对离心泵水力性能影响的研究

利用速度系数法研究了叶片直径、叶片出口角及叶片包角等参数对离心泵性能的影响，通过NX建立叶轮和蜗壳的水力模型，利用流体仿真软件对离心泵水力模型进行仿真计算。通过改变叶片包角的大小对离心泵性能的影响进行分析，研究结果表明：在不同流量的情况下，随着叶片包角的改变，离心泵总效率和扬程也随之变化，确定了总效率最高时的叶片包角，实现了水力模型的优化，为提高水泵的性能提供了理论依据；同时分析了叶片包角对汽蚀余量的影响，并通过试验验证了模拟仿真结果，与试验数据相比，模拟计算扬程误差在3.5%以内，模拟计算总效率误差在3.0%以内。     

叶片空间型面造型对离心泵性能的影响研究

为了研究叶片空间型面造型对离心泵外特性、内部流场的影响,以一台普通离心泵为研究模型,利用Cfturbo软件设计了两种相同设计参数,不同叶片型面造型的叶轮模型,采用标准k-ε湍流模型对两种模型叶轮离心泵内部流场进行单相定常数值模拟,并采用RNGk-ε湍流模型对两种叶轮模型离心泵空化性能进行数值模拟,得到内部流场特征、水力性能。并通过离心泵性能试验对数值模拟结果进行验证。研究结果表明:设计工况下,自由曲面叶片叶轮离心泵的扬程比倾斜直纹面叶片叶轮离心泵高0.45 m,NPSHR相同;通过优化倾斜直纹面叶片叶轮完全可以代替自由曲面叶片叶轮,降低企业的生产成本。     

修改离心泵叶轮模型的试验研究

通过在ＩＳ５０－１２５塑料离心泵上进行的修改叶轮模型的试验研究，验证了修改叶轮模型时在设计工况点的流量、扬程与比转数的计算关系式，提出了轴功率的近似计算公式，研究结果对修改中、低比转数离心泵叶轮模型有参考作用。     

包角对高比转速双叶片自吸离心泵外特性及振动特性的影响

为研究包角角度对高比转速离心泵的外特性和压力脉动的影响情况,基于SST k-ω湍流模型,对比转速n_q=327的双叶片自吸泵进行了三维非定常数值模拟,采用计算标准差法,对各个监测点的压力脉动进行分析,主要研究了230°～300°包角情况下的外特性变化情况及内流场时空演变特征。结果表明:随着包角角度的增大,扬程呈现先上升后下降的情况,且流量越大,扬程下降越快;随着包角角度的增大,叶轮所受扭矩逐渐降低,存在一个最佳的包角使得效率值最高;双叶片离心泵在运转的过程中隔舌沿叶轮旋转方向20°位置压力脉动最为严重,同时由于双叶片叶轮呈180°中心对称,压力波动最大处的正对面位置压力脉动同样较大;包角角度增大,叶轮中的涡黏度会随之下降。该研究可为高比转速双叶片自吸离心泵设计中包角的选择提供了参考。     

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。     

叶轮背叶片与盖板的间隙对平衡轴向力的影响

选用带有背叶片结构的IH100-65-250化工离心泵为计算模型,利用SolidWorks对五种不同背叶片与盖板间隙δ的三维实体进行分组建模,基于RNG k-ε湍流模型和SIMPLE算法,对离心泵的轴向力和水力性能进行数值模拟。数值模拟所得到的F-δ曲线与试验结果吻合较好,验证了计算方法的准确性。研究表明:背叶片与盖板的间隙大小对离心泵的轴向力和水力性能有一定的影响,随着间隙的增大,效率和扬程都降低,轴向力先减小后增大;间隙过小时,离心泵内会产生与原方向相反的轴向力;为了使离心泵能够获得最佳的轴向力和水力性能,背叶片端部与盖板的间隙δ的合理取值范围为(0.8¹.2)mm。     

混流式核主泵流场数值分析与试验研究

本文根据某核电站主冷却剂泵的水力优化设计,研究了在改变叶轮叶片进口安放角减小10°的条件下进行数值仿真分析。主要在参考泵叶轮基础上进行了叶片结构改进,并就新的叶片结构进行了数值分析,相应的性能参数值比要求值均有了一定的裕度。其中,数值效率和对应的扬程比参考泵叶轮分别提高了0.6%和22%。针对主泵水力部件模型,对改进设计后的水力部件按照相应的标准分别进行了水力模型的效率试验、空化试验以及压力脉动试验,同时按照试验结果换算出了目标主泵的水力性能。     

诱导轮和离心泵叶轮内部空化流动数值分析

为了提高诱导轮离心泵的空化性能和运行稳定性,阐明诱导轮和离心泵叶轮几何参数对空化性能的影响规律,基于空泡可压缩性影响修正的RNG k-ε模型和改进的空化模型,对诱导轮和离心泵叶轮内部流场进行空化数值计算。数值结果表明:在小流量工况和额定工况下,空化性能曲线基本一致;在大流量工况下,空化特性曲线波动相对比较严重,空化性能较差。额定流量下泵蜗壳水力损失最小,小流量工况下蜗壳水力损失最大。临界汽蚀余量时,蜗壳水力损失突升。无空化条件下,随着前口环间隙值的增大,诱导轮扬程、效率和前口环间隙泄漏量增大,泵和叶轮的扬程、效率值降低,泵的空化特性曲线的稳定性变差,使诱导轮叶片出口液流角发生偏转,导致诱导轮和离心泵叶轮内部产生周期性的交变空化流。     

高低叶片对旋流泵性能影响的研究

通过对旋流泵内部流道进行三维造型,利用雷诺时均方程、双方程湍流模型并结合SIM-PLEC算法对旋流泵内部三维不可压缩湍流场进行数值模拟,得出旋流泵内部的压力分布。通过对三种不同高度差的弯曲叶片模拟结果进行对比,发现高低叶片能够改善旋流泵水力性能。在模拟的基础上进行了试验研究,结果表明：模拟结果是正确的;高低叶片能够减小水力损失,提高旋流泵的扬程和效率;3种叶轮中,2个对称分布叶片比其余4个叶片高的叶轮的水力性能最好,效率提高约3%。     

叶片仿鲨鱼鳍的导叶式离心泵数值仿真研究

针对导叶式离心泵内部流场流动不稳定的问题,运用仿生学技术和原理对鲨鱼鳍结构做了适当抽象处理,并运用在导叶式离心泵叶轮叶片前缘位置。对叶片仿鲨鱼鳍的导叶式离心泵内部流场进行了数值计算,研究了3个典型工况下离心泵内部流场的流动特性,得到了叶轮和导叶径向力的变化特性,进而分析了离心泵内部流场的湍动能分布规律,并进行了试验验证。研究结果表明:相比原模型,叶片仿鲨鱼鳍的导叶式离心泵改善了泵内流动特性,减小了泵内的湍动能分布;同时降低了叶轮和导叶的径向力,减弱了叶轮与导叶的动静干涉作用;仿鲨鱼鳍叶片减轻了导叶式离心泵内部流动的不稳定,明显提高了泵的扬程和效率等外特性参数。     

k-ε涡粘湍流模型用于离心泵数值模拟的适用性

以IS80-65-160离心泵为研究对象,对设计工况和八种非设计工况进行了整机系列相对位置定常流动数值模拟.计算中分别采用标准k-ε模型、RNG缸k-ε模型和Realizable k-ε模型三种k-ε涡粘湍流模型,以考察比较它们对离心泵内流模拟计算的适用性.计算中考虑了叶轮和蜗壳之间相对位置变化对流场的影响,较全面反映叶轮与蜗壳间的相互作用.在数值模拟的基础上,计算了基于三种湍流模型的扬程、轴功率、效率及性能曲线,并与试验性能曲线进行对比.研究表明:三种肛k-ε涡粘湍流模型均可用于离心泵内部流动数值模拟计算,采用Realizable k-ε模型的离心泵仿真结果与试验吻合最好.     

叶片包角对高比转速离心泵空化性能的影响研究

为了研究叶片包角对高比转速离心泵空化性能的影响,本文基于CFturbo和UG软件,利用CFX中的RNG k-ε湍流模型和Rayleigh-Plesset空化模型,对比转速为185的离心泵分别探讨其叶片包角为90°、95°、100°、105°、110°时该离心泵的空化特性。结果表明,叶片包角对高比转速离心泵外特性有显著的影响,其泵的扬程随叶片包角的增大而减小,且小流量时随包角的增大效率增加,大流量时则反之;同时随叶片包角增大,进口低压区的面积增大,进口空泡体积分数减小,离心泵的内部流动更加平顺光滑,叶片背面的旋涡消失,叶轮流道内的流线越趋于叶片的形状;叶片包角大小与离心泵的进口湍动能呈负相关;说明包角越大,高比转速离心泵的抗空蚀性能越好。     

蜗壳喉部面积对离心泵非定常特性的影响

为研究蜗壳喉部面积对离心泵非定常特性的影响,针对同一离心泵叶轮,设计匹配4种不同喉部面积的蜗壳,并采用数值计算方法对泵内流非定常流动进行计算。结合面积比原理,分析了喉部面积对泵性能、径向力以及压力脉动的影响规律。结果表明:喉部面积对离心泵水力性能影响显著,设计工况下,随着喉部面积的减小,扬程和效率逐渐降低;受喉部面积影响,不同工况叶轮所受径向力大小不同且具有极小值,但极小值所对应的工况点有所不同;合理的喉部面积能有效降低泵内的压力脉动水平,随着喉部面积减小,泵内压力脉动水平增加,而当增加喉部面积时,压力脉动水平降低。通过分析蜗壳不同喉部面积对离心泵性能的影响,可为低噪声离心泵面积比设计提供参考。     

小流量高扬程液氢泵水力优化和抗空化的结构设计

针对液氢在低温系统或低温储罐中输送的应用需求，依靠泵设计经验参数取值而设计的小流量高扬程液氢泵，相似定律转换为模型泵，试验测试其外特性得到：在额定工况下，与理论扬程相比，泵内存在6 m水力损失，同时，液氢总是处于近饱和状态，特别当泵前低温流体的进口压力降低或波动时，离心式液氢泵极易发生空化，造成扬程下降。以提高液氢泵的抗空化特性和提高泵水力效率为目标，建立小流量高扬程液氢泵的多目标优化设计方法，依据小流量高扬程液氢泵模型泵的外特性测试结果，对泵头的几何结构参数进行优化设计，结果表明：叶轮入口直径增大1.5 mm、直角的叶片进、出口安放角减小为60°、叶轮出口直径减小0.5 mm、叶片进口宽度减小0.1 mm,叶片出口宽度减小0.3 mm,减小流体出口间隙，有利于泵减小水力损失，提高泵效率，并改善泵的空化性能。本研究采用的计算方法为小流量高扬程液氢泵高效水力模型的优化设计提供参考，研究结果为小流量高扬程液氢泵的结构优化和获得工作特性的实验研究提供理论依据。     

高低叶片对旋流泵性能影响的试验研究

本文对现有的旋流泵叶轮进行研究分析后,对3种不同比转速的叶轮进行重新设计,通过改变成不同高度的叶片数,对旋流泵的性能进行试验研究,获得了旋流泵的高叶片数不同时对其性能影响的变化规律,并对变化原因进行了分析。结果证明,高低叶片能够减小水力损失,提高旋流泵的扬程和效率,特别是当旋流泵叶轮的叶片数为6片时,2个对称分布的叶片比其余4个叶片高的叶轮的水力性能要好;当叶轮的叶片数为8片或10片时,3个均匀分布的叶片比其余叶片高的叶轮的水力性能要好,效率提高约3%。     

固液两相离心泵内部非定常流动特性研究

为研究固液两相流离心泵内部的非定常流动特性,基于滑移网格方法,采用RNGκ-ε湍流模型以及ASMM代数滑移混合物模型,对一台高比转速固液两相离心泵内部流场进行非定常流动的数值模拟,通过分析清水工况数值计算结果、外特性性能实验结果以及固液两相流非定常数值计算结果,获得了非定常条件下固液两相输送离心泵的瞬时外特性曲线和内部流动及磨损规律。研究结果表明:在一个转动周期内,离心泵的扬程、效率和轴功率均呈现正弦波动特征;动静干涉效应使得叶轮出口处的速度和静压分布均呈现周期性波动;模型泵叶轮前后盖板的磨损情况比蜗壳壁面的磨损严重。上述计算结果可为实现高比转速固液两相流离心泵的优化水力设计和减轻磨损提供一定的理论参考。