基于CFX的中比转速离心泵的性能特性预测

以一给定参数的具有扭曲叶片的中比转速离心泵为研究对象,对其进行水力设计。使用UG NX6.0软件对其三维建模,将由UG导出的parosolid格式的三维流体域模型导入到CFX的网格划分工具ICEM CFD中进行网格划分,采用ANSYS CFX12.1软件对其内部流场进行数值模拟及性能预测,得出离心泵在设计工况及几个典型的非设计工况点的扬程、轴功率等反映离心泵外特性的数值计算结果。该泵流量-扬程、流量-效率曲线符合离心泵的一般规律,可为设计人员提供重要的优化及设计参考。     

中比转速离心泵叶片穿孔空化性能分析

为分析叶片穿孔对泵空化性能的影响,该文以中比转速(n_s=129)离心泵为研究对象,通过设计不同穿孔直径(D=2,3和4 mm)及穿孔角度(α=-25°,5°,35°和65°)的12种叶片头部穿孔方案,在初生空化和临界空化工况下,对中比转速离心泵进行数值模拟计算。研究发现：空化工况下穿孔方案对离心泵扬程和效率影响不超过1%,叶片进口端穿孔可以平衡叶片工作面与吸力面压力差,将各流道单个低压区阻断为两个,有效改善叶轮内压力分布,减小叶轮叶栅切面气泡体积分数并抑制空泡产生;适当的穿孔角度与穿孔直径搭配方案在初生空化和临界空化工况下均有益于提升离心泵抗空化性能,研究得出的最佳穿孔方案为方案H(D=3和α=35°)、方案I(D=4和α=35°)和方案J(D=2和α=65°)。     

叶片包角对中比转速离心泵水力振动的影响研究

为了研究叶片包角对中比转速离心泵水力振动的影响,以一台比转速为103的中比转速离心泵为研究对象,探讨叶片包角分别为116°、122°、128°的3种离心泵在不同的流量工况下的外特性特征,设计流量下叶轮流道、蜗壳流道内监测点的压力脉动特性。研究结果表明:存在一个最佳的叶片包角122°使中比转速离心泵的扬程和效率最高,且最佳效率点向大流量点偏移;叶轮流道内各监测点的压力脉动随叶片包角的增大而逐渐降低,而各压力脉动幅值随叶片包角的增大而逐渐增大;蜗壳螺旋段内的压力脉动值沿流体流动方向逐渐减弱;随着叶片包角的增加,蜗壳流道内监测点的压力值逐渐增大,隔舌监测点和出口处监测点的压力脉动幅值也同步增大,而蜗壳螺旋段内监测点的压力脉动幅值逐渐减小。综合考虑适当地增大叶片包角可以减小离心泵的水力振动。     

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。     

离心泵蜗壳内压力脉动特性数值分析

为揭示离心泵蜗壳流道内的压力脉动变化规律,采用雷诺时均方法(RANS),对3种工况下的离心泵内部三维非定常湍流流场进行数值计算,分析同一蜗壳断面不同位置以及沿蜗壳周向不同点的压力脉动特性。结果表明:蜗壳流道内具有非常明显的压力脉动,在各种工况下压力脉动的主频均是叶片通过频率;同一蜗壳断面上的压力脉动从蜗壳底部到蜗壳背面先减小后增大,蜗壳底部监测点的高频脉动成分较多;沿蜗壳周向,随着圆周角的增大,压力脉动减弱,隔舌附近压力脉动幅度最大,且高频脉动成分明显增加。     

离心泵隔舌区域压力脉动特性分析

为了揭示隔舌对离心泵内流场的压力脉动变化规律,采用商业软件ANSYS-cfx,对0.8Q、1.0Q和1.2Q的离心泵进行三维非定常数值模拟计算,分析在同一工况下不同位置监测点的压力脉动特性。结果表明:受到隔舌影响流道内各观察点的压力脉动出现非常显著的周期性,而且在0.8Q、1.0Q、1.2Q工况下的5个监测点主频都出现在1倍叶频处。随着观察点与隔舌周向距离变大,脉动幅度逐渐减小,这时脉动主要是叶片通过频率,高频脉动成分较少。     

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。     

水泵工况下水泵水轮机压力脉动特性分析

水泵水轮机无叶区是机组内部水力因素引起的压力脉动最大的部位,也是机组和厂房振动的主要激振源之一。本文以某抽水蓄能电站机组稳定性试验结果为基础,分析了机组内部压力脉动混频幅值随流量的变化规律,重点关注了无叶区压力脉动分频幅值随流量和倍频的变化规律及压力脉动特征频率的传播特性,为研究机组和厂房振动诱因提供了思路。     

流道喷涂对双吸离心泵压力脉动特性影响研究

流道喷涂技术能有效提高水泵过流部件抗磨损能力并降低水力损失,但其对压力脉动特性的影响并不明确。本文采用试验的方法,对一双吸离心泵流道喷涂前后的压力脉动进行同台测试,并分析了混频幅值和频谱特性。结果表明:流道喷涂处理降低了流道粗糙度,减小了水力损失,提高了效率,但同时也改变了水泵固有的压力脉动特性。对于吸水室,喷涂处理缩小了压力脉动稳定区的范围,使小流量工况区的压力脉动峰峰值达到喷涂处理前的2.8倍,加剧了水泵在小流量工况下运行的不稳定性。对于压水室,喷涂处理使靠近隔舌区域在小流量区的压力脉动明显增加,使远离隔舌区域在大流量区的压力脉动增加。而在设计流量区域,喷涂对各个位置压力脉动影响不明显。为了使喷涂技术发挥综合效果,保证水泵运行稳定,应该尽量避免喷涂后的水泵在偏离设计流量工况运行,特别是严格避免水泵在低于0.75倍设计流量工况运行。     

多工况下分流叶片离心泵非定常空化特性分析

为了进一步优化离心泵叶轮流道,提高离心泵的空化性能,对有/无分流叶片离心泵进行全流道三维非定常湍流空化数值模拟,分析0.4Q~1.0Q工况下泵的空化性能。结果显示:在空化充分发展的情况下,无分流叶片离心泵扬程对NPSH的降低比较敏感;添加分流叶片后,离心泵的扬程提高,叶轮进口部位的低压区域减少,叶轮内湍动能明显减小,泵的抗空化性能明显增强;随着流量的降低,泵的临界空化余量降低,但泵内发生严重空化的速率逐渐加快;当离心泵内发生严重空化时,空泡将堵塞整个叶轮流道。     

偏工况下离心泵蜗舌区流场特性研究

基于Navier-Stokes方程和SST k-ω湍流模型,对离心泵内部流动进行数值模拟,分析离心泵蜗舌区瞬态流动特性。计算所得扬程和效率与试验结果吻合较好,模拟方法可行。结果表明:不同流量下,蜗舌区压力脉动的主要影响因素是动静干涉作用,压力脉动主频均为叶频及其倍频;小流量时,压力脉动幅值随流量的减小而增加,压力脉动低频段出现一些复杂激励频率,流量降至0. 4Qd时,甚至出现1/5fr(叶轮转频);设计流量时压力脉动最大幅值在蜗舌端处最大,失速状态下在蜗舌靠近叶轮出口处最大,其值约为设计流量时的4. 9倍,是由此处随时间剧烈变化的旋涡引起。     

水泵水轮机泵工况压力脉动和转轮受力特性

为研究水泵水轮机在泵工况下的内部流态变化对压力脉动和转轮叶片受力的影响,采用 SAS－SST 湍流模型对某一模型水泵水轮机的多个非设计工况进行非定常数值模拟,分析了水轮机 内部流态对导叶与转轮之间无叶区、尾水管内的压力脉动和转轮叶片径向受力的影响。结果表明: 在流量为 40% ～80%设计流量时,导叶区内产生旋转失速,转失速涡团初生于固定导叶进口,并随着流量的降低向活动导叶进口发展,且覆盖区域逐渐增大。旋转失速使压力和过流沿周向不均匀分布, 导致压力脉动和转轮径向受力波动大幅上升。在40%设计流量时,失速涡团发展最为充分,无叶区 压力脉动和转轮受力波动的低频分量幅值最高。旋转失速产生的低频脉动可向尾水管传播,形成的低 频压力脉动幅值约为无叶区低频脉动幅值的10%。当流量低于 40%设计流量时,导叶区旋转失速消失,复杂的涡结构形成的压力脉动低频成分没有周期性。此外,转轮进口的流动分离使尾水管内产生复杂的回流涡结构,导致尾水管内形成频谱丰富的压力脉动; 流量降低使转轮进口回流涡结构的湍动 能增加,导致尾水管内压力脉动幅值大幅上升。小流量工况下,转轮进口的涡结构演变是转轮径向力波动的主要影响因素。     

水泵水轮机泵工况压力脉动和转轮受力特性

为研究水泵水轮机在泵工况下的内部流态变化对压力脉动和转轮叶片受力的影响,采用SAS-SST湍流模型对某一模型水泵水轮机的多个非设计工况进行非定常数值模拟,分析了水轮机内部流态对导叶与转轮之间无叶区、尾水管内的压力脉动和转轮叶片径向受力的影响。结果表明:在流量为40%～80%设计流量时,导叶区内产生旋转失速,转失速涡团初生于固定导叶进口,并随着流量的降低向活动导叶进口发展,且覆盖区域逐渐增大。旋转失速使压力和过流沿周向不均匀分布,导致压力脉动和转轮径向受力波动大幅上升。在40%设计流量时,失速涡团发展最为充分,无叶区压力脉动和转轮受力波动的低频分量幅值最高。旋转失速产生的低频脉动可向尾水管传播,形成的低频压力脉动幅值约为无叶区低频脉动幅值的10%。当流量低于40%设计流量时,导叶区旋转失速消失,复杂的涡结构形成的压力脉动低频成分没有周期性。此外,转轮进口的流动分离使尾水管内产生复杂的回流涡结构,导致尾水管内形成频谱丰富的压力脉动;流量降低使转轮进口回流涡结构的湍动能增加,导致尾水管内压力脉动幅值大幅上升。小流量工况下,转轮进口的涡结构演变是转轮径向力波动的主要影响因素。     

水泵水轮机反水泵工况区压力脉动特性分析

为研究水泵水轮机反水泵区的压力脉动特性,以某抽水蓄能电站模型水泵水轮机为研究对象,基于分离涡湍流方法(detached eddy simulation,DES),对水泵水轮机反水泵工况进行了数值模拟。探讨了全流道三维湍流场特性,并与试验结果相对比,分析了水泵水轮机在反水泵工况区压力脉动特性。结果表明,反水泵工况下,转轮与导叶之间和尾水管内的主频均为0.143倍转频,主频幅值占混频幅值比例分别达到12%和34.6%。通过流场分析,发现尾水管锥管段内的螺旋形涡带结构是导致这种低频脉动的主要原因。同常规运行工况相比,反水泵工况区的不稳定流场会导致压力脉动相对幅值的突增,引起机组剧烈的振动,严重影响机组的安全运行。     

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。     

两级离心泵压力脉动与振动的相关特性分析

该文以两级离心泵为研究对象,探究离心泵压力脉动与振动的相关特性。在离心泵泵体布置若干压力脉动测点,同时在泵体和水泵机组的机脚布置相应的振动测点,进行同步数据采集。对采集到的信号通过快速傅里叶变换(FFT)进行频谱特性分析;通过计算压力脉动信号与振动信号的相干函数,比较各测点的相干系数,分析压力脉动对振动的影响。结果表明:两级离心泵泵体一级导叶出口处与泵体二级导叶出口处的压力脉动均以叶频为主;泵体导叶处的压力脉动对水泵机组机脚在不同方向的振动影响存在差异,泵体导叶在叶频处压力脉动是垂直于安装面方向的机脚振动和平行于离心泵出口方向的机脚振动在叶频处产生振动分量的主要原因,泵体的一级导叶在轴频处的压力脉动是垂直于离心泵出口方向的机脚振动在轴频处产生振动分量的主要原因。     

双吸离心泵泵站压力脉动与振动特性现场试验研究

双吸离心泵运行时,动静干涉会引起特定压力脉动,其频率为叶轮转频与叶片数相乘,即叶频。前期研究表明叶频压力脉动主要产生于压水室的隔舌区域,是引起水泵机组和泵房振动的重要激振源。为了揭示双吸离心泵系统压力脉动和振动特性的关系,开展了泵站压力脉动和振动特性的现场试验。通过在泵基础、出水管和泵房楼板位置布置振动传感器,同步测量了泵出口阀门不同开度下和泵启动开阀过程中的振动信号,借助时频分析方法开展了泵房振动信号的溯源分析。分析结果表明:在稳态工况中,水泵压力脉动和振动的相干性主要表现在转频、叶频及其倍频,且叶频压力脉动具有向上游衰减快,向下游衰减慢的特点;在启动工况中,水泵压水室压力脉动与基座(特别是垂直方向),甚至泵房出水侧楼板振动在叶频和转频处表现出相干性。根据现场测试结果认为,干室型双吸离心泵泵房在设计时,需要重点关注水泵叶频压力脉动作用下出水侧楼板等泵房结构的动力学响应问题。     

高速潜水轴流泵大流量工况的空化特性

为了研究大流量工况下高速潜水轴流泵的空化特性,基于ANSYS CFX软件,选取Zwart、Kunz以及Schnerr-Sauer 3种空化模型进行大流量工况下高速潜水轴流泵外特性和泵内空化流动特性数值模拟。结果表明:大流量工况下Schnerr-Sauer空化模型预测的外特性变化趋势与试验值最为吻合,相较于另两种空化模型,Schnerr-Sauer空化模型模拟的叶片背面空泡体积分数较高;空化严重区域主要出现在叶片背面进口附近以及叶顶,同一空化数下,流量越大,叶片空化状况越严重;叶片载荷分布由叶片进口边到出口边呈先增大后减小的趋势;各流量下空泡首先出现在叶片背面进口前缘位置,随着空化数的减小,空泡体积分数沿着主流方向朝叶片后缘不断增大直至空泡占据整个叶片背面;叶片背面处的三角形云状空化尾缘空穴极不稳定,随着叶轮旋转,尾缘处空泡微团逐渐脱落,朝着相邻叶片不断移动,对相邻叶片的工作面产生侵蚀破坏,导致叶片载荷发生变化,对轴流泵水力性能产生影响。     

矿用离心泵运行工况的调整

分析了需要对矿用离心泵运行工况进行调整的原因，并提出了调整的方法。