轴流泵装置模型试验压力脉动特性研究

结合南水北调某轴流泵装置模型试验,研究了泵站机组的压力脉动情况。研究表明：设计工况时,压力脉动的频率脉动相对幅值较小,一旦偏离设计工况,随着扬程的减小,脉动相对幅值增大,叶轮进口处存在比较明显的压力脉动,叶轮出口处压力脉动相对幅值比进口处减小,出水流道处的压力脉动相对幅值比叶轮出口处又有所增加。在小扬程工况下,压力脉动的频率值以叶片通过频率为主;在大扬程工况下,由于泵内湍流强烈的不规则运动,低于1倍叶片通过频率的低频脉动会随着流量的减小幅值越来越大并占据主导地位。     

轴流泵不稳定流场的压力脉动特性研究

流场压力脉动是影响大型轴流泵运行稳定性的关键因素,本文采用时间相关的瞬态流分析理论及大涡模拟方法研究轴流泵内部非定常流动,得到了不同工况下泵内水压力脉动结果。通过与实测扬程和功率对比,证明本文所提出的方法可较准确地反映泵的流动特征。研究表明,轴流泵内最大压力脉动发生在叶轮进口前,压力脉动频率主要受叶轮转频控制;在叶轮进口与出口处,从轮毂到轮缘压力脉动逐渐增大,而在导叶中间及导叶出口处,结果正好相反。偏离最优工况越远,脉动的相对振幅越大,在60%流量工况下泵内压力脉动约为最优工况的2倍。     

不同叶轮形式离心泵压力脉动和空化特性试验研究

压力脉动和空化特性是影响离心泵稳定运行的两个重要因素。针对国内某大型调水工程的立式带导叶离心泵,在保证蜗壳、导叶和叶轮出口直径等设计参数一致的情况下,设计了两种不同形式的模型叶轮,并进行了模型泵的同台试验。两个叶轮的比转速都为106.43,叶片数分别为7和9,叶轮流道、叶型也不相同,其中,对9叶片叶轮叶片进口边进行了"C形"修型。结果表明,两种叶轮形式离心泵内部压力脉动的频率成分及其分布特性类似,总体上都为叶片通过频率及其谐频,且该频率的压力脉动能通过叶轮流道逆水流方向向进口端传播。叶轮形式对压力脉动幅值的影响比较显著,相比7叶片叶轮,9叶片叶轮的压力脉动幅值降低了10%以上。同时,对叶片进口边修型后,初生空化得到有效延迟,设计流量点附近的临界空化余量下降约10%。适当提高叶片数与叶片进口边修型可显著提高离心泵空化性能。     

自振空化射流冲击压力脉动特性实验研究

自振空化射流是利用瞬态流和水声学原理调制而成的一种新型射流，本文研究了自振空化射流在常压及围压下的压力脉动特性及其参数影响规律。研究结果表明，在实验条件下各种风琴管喷嘴的压力脉动存在最优喷距，无因次最优喷距都在8～14范围内，风琴管自振空化射流的冲击压力脉动峰值和脉动幅度分别比普通喷嘴高37％和24％；最大脉动幅度并不出现在射流轴心，而是偏离轴心一段径向距离；随着围压的增加，脉动峰值压力随着喷距的衰减速度明显加快，而脉动炳室基本不随围压、压降和喷距的变化而变化，保持在1.38KHz左右。     

孔板泄洪洞脉动压力特性浅析

通过量测多级孔板泄洪洞点脉动压力的沿程分布，论证了脉动压力振幅概率分布的正态性和最大振幅取值范围。由于最大脉动压力可达孔口流速水头１．２倍，最大脉动压力强度系数高达３０％，因此在研究孔板洞空化问题时必须考虑脉动压力。     

斜轴变桨轴流泵空化特性试验

为研究单机流量为50m3/s的新型斜轴轴流泵的空化特性,基于轴流泵试验平台,针对斜轴轴流泵开展不同叶片角度条件下的能量特性及内部流动特性分析,总结了该类泵空化现象的发生规律,确定了合理的设计参数与运行参数。结果表明:叶片角度及扬程与水泵空化性能密切相关,在高扬程或超低扬程运行时,水泵空化性能较差,易产生空化;可通过变桨技术,减小水泵叶片角度,从而改善空化性能,获取更优的运行稳定性。     

基于 FBM 模型的轴流泵空化流动特性 CFD 分析

轴流泵运行工况多变,容易发生空化,会严重影响泵的水力性能。为研究轴流泵空化工况下的流动特性,进行了全流道空化流动数值模拟和压力脉动分析,通过比较实验数据和不同湍流模型的计算结果,验证了FBM模型在预测轴流泵外特性和空化性能方面的优越性。研究结果表明:FBM模型预测非设计条件下的数值误差最小,特别是在具有小流量条件的流场中误差最小,其中平均扬程误差1.19%,平均效率误差5.31%;FBM在预测空泡体积数、含气量上的精度均大于其他三种湍流模型,与实验结果最接近;在NPSH=5.25m空化刚开始阶段,叶片上的压力脉动的主要频率位于fn及其倍频处,叶片吸力面的压力监测点由于受到空泡溃灭影响出现大量低频幅值,导叶出口监测点的压力脉动受到导叶片背面流动状态的影响出现大量低频信息。     

15度斜式轴流泵装置水动力特性实验研究

15度斜式轴流泵装置是我国近年在低扬程、大流量泵站引入的一种新型泵装置,由于出水流道前端呈S形弯曲,流道内的二次流导致某些工况下压力脉动和振动较大,这一问题尚有待深入研究。本文针对浙江盐官泵站技术改造所研制的新型15度斜式轴流泵装置进行了水动力学特性的实验研究。研究发现,与泵段相比,斜式轴流泵装置的最优工况点向负叶片角度和小流量区偏移。泵装置在较小叶片角度下的空化特性优于大叶片角度;当装置空化余量低到使泵装置效率下降1%时,叶片背面出现占据近1/3叶道区域的空化区。斜式轴流泵的飞逸转速在较大负叶片角度时可达额定转速的1.73倍。斜式轴流泵压力脉动在导叶出口、出水弯管和出水流道内明显高于常规立式轴流泵;从水泵进口方向看,当叶轮逆时针方向旋转时,斜式轴流泵装置出水流道隔墩左侧流量大于右侧。本文研究成果为大型斜式轴流泵站优化设计和稳定运行提供了新的科学依据。     

脉动压力及压力梯度对不平整突体空化初生的影响

本文对六种不平整突体在正负压力梯度状况下的初生空化数进行了试验研究和理论分析，并根据气泡动力学方程建立了脉动压力与气泡振荡半径之间的关系，讨论了脉动压力及压力梯度对不平整突体空化初生的影响，试验结果表明，同一突体在负压力梯度状况下的初生空化数高于正压力梯度状况下的初生空化数；对于非流线型突体，在负压力梯度状况下空化初生时的壁面脉动压力强度低于正压力梯度状况下的脉动压力强度，脉动压力峰值约为七至十二倍的脉动压力均方根值。     

含沙空化对轴流泵内流动特性的影响

采用SST k-ω湍流模型模拟轴流泵在清水非空化、含沙水非空化、清水临界空化、含沙水临界空化4种状态下的流动特性,分析含沙量和临界空化对泵内流动特性的影响,确定轴流泵在不同状态下的不稳定运行区域。结果表明:在叶片工作面上,非空化和临界空化状态下轴向速度流动系数均分布在-1附近,非空化状态下径向速度流动系数和绝对速度流动系数分别分布在0.6和1.2附近,临界空化状态下径向速度流动系数和绝对速度流动系数分布在1附近。叶片背面进口和出口位置的流动系数最为敏感,空化会引起此处流动系数的剧烈波动,尤其是加入泥沙后,波动更为显著,故叶片背面进口和出口位置为叶轮内的流动不稳定区域,空化和泥沙主要影响此处。未发生空化时,含沙量基本不改变叶轮内流动状态;当泵内发生空化时,在叶片尾端出现流动分离漩涡,加入泥沙后,尾端的漩涡范围变大,叶轮内的流动状态发生改变,说明空化和泥沙均是影响叶轮内流动特性的主要因素。     

双吸泵小流量工况下的空化特性研究

为研究双吸泵在小流量工况下叶轮内部空化特性,同时进一步说明小流量工况相比于设计工况时的空化特性差异,结合均质两相流模型和SST k-ω湍流模型,对双吸泵小流量工况和设计工况下的全流道空化流场进行数值模拟,以分析不同流量工况下空化分布与发展情况,以及空化对各叶片载荷造成的影响。研究结果表明:适当减小双吸泵进口流量,有助于改善双吸泵的空化性能;在小流量工况下空化首先发生于叶片吸力面头部靠后盖板附近,而且此处的空泡体积分数最大,这一空化特征同设计工况有所差异;随着NPSH的降低,叶轮内空化不断加强,但是小流量工况下的空化强度始终不及设计工况;不同空化状态会导致叶片吸力面压力的变化,从而表现为叶片表面载荷分布的变化。     

空化对轴流泵叶轮能量转化特性的影响

为了研究轴流泵空化对叶轮内部流动特性以及能量转化特性的影响,结合SST CC k-ω湍流模型与均相多相流模型对轴流泵进行了非定常空化计算。结果表明:随着有效汽蚀余量的逐渐降低,轴流泵内空化体积分数逐渐增加,诱导叶片表面出现侧向射流与漩涡等不良流态,对叶片出口流场的均匀性产生不良影响;自叶片进口至叶片出口,空化区域内的液体相对速度较未空化时增大,绝对速度与静压较未空化时减小。沿轴向,在无空化与空化初生时,动静扬程先不发生变化,随着泵进口压力逐渐降低,当有效汽蚀余量a=5.33 m时,静扬程不变而动扬程出现小幅增加,泵的水力性能出现小幅上升;在a=4.71 m时,静扬程下降且下降幅度高于动扬程上升幅度,泵扬程效率明显下降。随着空化程度的进一步增大,动静扬程继续下降,轴流泵水力性能急剧下降。     

微型高速离心泵多工况内部空化特性分析

基于CFX软件和RNG k-ε湍流模型,研究了不同流量和不同进口压力条件下泵内空化流动的特性。通过Rayleigh-Plesset方程均相流动空化模型分析了叶轮内的空泡数与叶轮扭矩随空化系数变化的关系,空化的初生、主要位置和流道的静压变化特性。结果表明:空泡体积随空化系数的减小而增大,空化初生在叶片前缘及附近流道。随着进口压力的减小,诱发空化的低压区主要集中于叶片与流道的中部且压力分布不均匀。各小流量工况下,扭矩变化随着空化系数的减小而减小,在空化系数较大时,不同工况下的扭矩均会有不规则波动且各曲线变化临界点会随着流量的增加逐渐向前移动,但总体变化趋势大致相同。本文研究的微型高速泵内空化流场的特性及空化对泵稳定运行性能的影响可供设计较高运行效率的微型高速离心泵参考。     

带前置导轮的轴流泵装置模型试验结果及分析

结合新滩口泵站技术改造，利用前置导轮消除或减轻轴流泵汽蚀以及因进口流态不良引起的水力振动。装置模型试验结果表明：装上前置导轮后，叶轮进口断面的压力变均匀，振动减小，泵的汽蚀和水力性能有了综合改善。     

蜗壳式混流泵压力脉动特性研究

基于雷诺时均方程和RNG k-ε湍流模型,应用SIMPLE算法,对混流泵内部流场进行非定常数值模拟,分析不同工况监测点上压力脉动的时域特性和频域特性。取定常计算的外特性与实验值对比,对比结果为不同工况的扬程偏差均小于5%,证明该数值模型能准确地描述泵内流场特征。结果表明:叶片进口处水流冲击产生的回流和漩涡是引起叶轮内压力脉动的主要动力源,叶轮与蜗壳间的动静相干作用是产生蜗壳内压力脉动的主要动力,并且在向下游传播过程中,压力脉动逐渐减弱,叶频占主导地位,在小流量工况运行时,主频有向叶轮转频迁移的趋势,大流量工况下最大压力脉动发生在转轮中间位置;叶轮内的压力脉动要远远高于蜗壳,这是引起机组振动和噪声的主要来源。     

轴流泵叶片水力矩实验测定及分析

对轴流泵叶片水力矩实验方法进行介绍．通过特定的实验装置．测定计算出水泵的水力矩特性并对水力矩特性曲线进行理论分析。将水力矩特性曲线与实验中发生的现象进行分析比较，解释曲线中马鞍形区域机组存在振动．绕流不正常，产生汽泡．脱流现象的原因及机理。     

离心泵变频调速空化特性数值分析

针对某型卧式单级单吸离心泵构建了三维模型,运用计算流体力学理论,采用多参考系模型(MRF)和两相流的混合模型(M ixture)进行模拟,得到水泵内部压力、汽液两相和汽泡相体积分数随电机输出频率和水泵转速的变化规律。计算结果表明:进口低压区的压力与电机输出频率和水泵转速成反比,当其低于汽化压力时,空化必然产生;泵内汽泡相所占的比例与电机输出频率和水泵转速成正比,比例越大,发生空化的概率越大,且越严重。该分析结果符合工程实际,为变频调速在离心泵中得到更好更合理的应用提供了理论依据。