诱导轮叶片参数对大流量离心泵汽蚀性能的影响

诱导轮作为离心泵的重要辅助部件之一,对水泵汽蚀性能的改善有重要作用。针对某大流量离心泵汽蚀性能不佳的问题,采用响应面分析和数值模拟的方式,对该离心泵的诱导轮叶片参数进行了优化,探究了诱导轮导程、叶片厚度和叶片数对大流量离心泵汽蚀性能的影响规律。首先,构建了大流量离心泵的仿真模型,对其进行了外特性计算,将计算结果与试验结果进行了对比,对仿真结果的可靠性进行了验证;然后,根据诱导轮扬程与泵汽蚀性能呈正相关的规律,以诱导轮的叶片参数(导程L、厚度T、叶片数Z)为变量因素,以诱导轮扬程最大为优化目标,对诱导轮进行了响应面计算分析,得到了响应面优化后的诱导轮叶片参数,并对比分析了优化前后诱导轮的扬程;最后,针对诱导轮优化前后的离心泵,在不同工况下进行了叶轮汽蚀情况和临界汽蚀余量对比分析。研究结果表明：叶片导程对诱导轮扬程的影响不大,而减小叶片厚度、增加叶片数可以大幅提高诱导轮扬程;额定工况下,经响应面优化后的诱导轮扬程提高了0.6 m,泵的临界汽蚀余量相比原型泵降低了0.15 m。该结果可以为大流量离心泵诱导轮的优化设计提供理论参考。     

等螺距诱导轮内部流动的数值模拟

基于雷诺时均N-S方程和S-A湍流模型对等螺距诱导轮内部的流动进行三维紊流数值计算和分析,获得诱导轮流道内的速度场、压力场的分布规律。发现诱导轮最易发生汽蚀破坏的位置在叶片吸力面进口前缘的外缘处,相对速度的大小从轮毂到轮缘大致上是沿径向增加的,从轮毂到半径的中部相对速度的增加的幅度大于从半径中间到轮缘的增长幅度;静压从诱导轮进口到叶片尾部是增加的,但从叶片尾部到诱导轮的出口的部分区域静压会减少。并针对有和无诱导轮两种情况,对高速离心泵进行试验研究,通过试验验证了具有前置诱导轮的离心泵可以改善泵的汽蚀性能。所提出的诱导轮模拟方法对高速诱导轮离心泵的进一步研制和优化设计具有一定的指导意义。     

采用环形入口壳体的诱导轮汽蚀性能研究

针对某型号液体火箭发动机离心泵所发生汽蚀问题,在基于SIMPLEC算法上,采用雷诺时均Navier-Stokes方程(简称N-S方程)控制方程、Realizable k-ε湍流模型和mixture多相流模型,对泵环形入口壳体和诱导轮进行汽蚀性能研究。在数值流场计算研究中,分析各部件对诱导轮汽蚀性能的影响,发现诱导轮及环形入口壳体内流场的不对称性降低诱导轮的汽蚀性能。通过合适调整环形入口壳体面积比以及环形入口壳体出口与诱导轮之间的距离,使环形入口壳体出口流场收缩,在加速流中获得较均匀的速度场,改善了诱导轮入口流动参数,提高了诱导轮的汽蚀性能。所采用的改进方法对液体火箭发动机离心泵的研制和优化具有一定的指导意义。     

等螺距诱导轮的理论分析与数值模拟

基于N-S方程,利用Ansys cfx软件对离心泵诱导轮内部流场进行了全三维湍流数值模拟,获得诱导轮内部的速度分布、静压分布,分析了轮缘处叶片压力面和吸力面存在压差引起涡流,进口低压区对诱导轮汽蚀性能的影响,模拟结果为诱导轮的改进设计提供了一定的理论依据。     

带分流叶片的离心泵叶轮内三维不可压湍流场的数值模拟

对带分流叶片的离心泵叶轮内三维不可压湍流场进行数值模拟。计算采用雷诺时均方程和修正了的 湍流模型,在压强连接的隐式修正法(SIMPLE—C)建立的压力速度校正方程基础上,利用贴体坐标系和交错网格技术进行计算。计算结果揭示了带分流叶片离心泵叶轮内湍流流动的速度分布、压力分布规律,并对增加分流叶片后叶轮内部的流动状况进行了分析和研究,研究结果将对带分流叶片的离心泵进行性能预测和优化设计有指导 意义。     

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。     

油田用离心泵汽蚀性能的数值分析与试验

为了准确预测油田用离心泵的汽蚀性能,本文使用计算流体力学软件Fluent中的Mixture多相流模型与汽蚀模型相结合对离心泵内的汽蚀现象进行数值模拟,并通过油田用离心泵汽蚀性能试验对数值计算结果进行验证。在验证模拟结果可行的基础上,对离心泵结构及工作参数对其汽蚀性能的影响进行了数值分析,结果表明:叶轮采用6叶片较4和8叶片汽蚀性能更优;叶轮转速越小,离心泵抗汽蚀性能越好;离心泵进口流量越大,抗汽蚀性能越差。     

前置轴流叶轮对离心泵汽蚀性能的影响

随着离心泵向高转速化发展,离心泵的汽蚀性能成为其稳定运行的重要因素。本研究在离心轮前安装一种特殊的轴流式叶轮以提高离心泵的抗汽蚀性能。轴流式叶轮的水力设计采用升力法,设计完成后用PUMPLINX软件对装有轴流式叶轮的离心泵进行数值模拟,模拟结果表明:装有轴流式叶轮的离心泵其性能参数符合设计要求,且临界汽蚀余量显著降低到安全范围内。最后对此泵做性能试验和汽蚀试验,试验后把试验结果与装有常规诱导轮的离心泵的试验结果进行对比,结果表明,在此次研究中,装有轴流式叶轮做诱导轮的离心泵其性能与汽蚀特性均符合设计要求,并且很好地改善了装有常规诱导轮的离心泵此前在结构上的问题。     

变螺距叶片对螺旋离心泵轴向力的影响

采用150×100LN-32型螺旋离心泵的结构尺寸,根据螺旋离心泵的叶片变螺距型线方程设计出8种螺距变化方式不同的螺旋离心泵.以这8种不同螺距的螺旋离心泵为对象,选用清水和沙水固液两相流为介质,基于FLUENT软件,建立相对坐标系下的时均连续方程及N-S方程,并采用标准κ-ε方程湍流模型、非结构四面体网格和SIMPLE算法进行数值模拟,得到螺旋离心泵的压力分布后计算出不同螺距下的轴向力.在此基础上,将等螺距的螺旋离心泵计算的进出口压力差和试验测量值进行对比,间接地验证了利用数值模拟计算轴向力的准确性.研究不同螺距下的不同流量、不同体积分数和介质为清水时不同螺距下的轴向力变化趋势和规律,通过数据分析,可知螺旋离心泵轴向力的大小受多种因素的影响,而叶轮的螺距变化改变着内流场的变化,对螺旋离心泵轴向力的大小起着决定性作用,轴向力随着螺距变化的曲线呈现出一定的凹凸性.针对不同参数,合理地设计叶片螺距,对于提高螺旋离心泵的可靠性和稳定性具有重要意义.     

离心泵诱导轮的数值模拟

本文概述了离心泵空化（汽蚀）产生的原因及改进的方法。分析了诱导轮在改善离心泵空化（汽蚀）特性上的独特作用,对雳导轮和离心叶轮的结构和性能匹配进行l『研究。并对同一离心泵叶轮分别加装一级诱导轮、两级诱导轮和三级诱导轮的不同结果进行了对比分析。对比分析表明,诱导轮在改善离心泵空化（汽蚀）性能方面效果明显。     

高速泵诱导轮的设计分析

本文通过分析诱导轮设计的理论基础,建立了比较完善的诱导设计方法,给出了其主要参数的计算公式,按照本文方法设计的两台高速泵诱导取得了很好的汽蚀性能。     

往复泵水头损失及空化现象的数值仿真优化

为减轻往复泵的水头损失及空化现象，以提高吸入性能，根据魏斯特法尔理论分析了泵阀运动特性，基于阀盘结构和活塞冲次等参量，提出了水头损失和空化量的优化模型。采用Fluent动网格技术进行动态数值模拟，分析了各参量对吸入过程水头损失和空化现象的影响及其发展过程，优选出了最佳阀盘结构参数和活塞冲次，可有效减小液缸内的水头损失，降低因阀盘开启滞后而产生的空化现象，改善泵的吸入性能和汽蚀现象。得出了往复泵吸入过程水头损失最小、活塞端面的空化量最小时的阀盘锥角及最优的工作冲次，为往复泵的吸入特性研究提供了参考依据。     

混流式喷水推进器空化性能数值分析

基于RANS方程,结合切应力输运湍流模型计算某混流式喷水推进器无空化状态时的流体动力性能。与厂商提供的数据对比表明,建立的数值模型和计算方法是可信的。在此基础上,嵌入基于Rayleigh-Plesset方程的混合物均相流空化模型,对空化条件时该喷水推进器流体动力性能进行数值计算与分析。计算得到的功率、推力等宏观量与厂商提供的数据吻合较好。计算得到空化发生时的临界进口速比值。计算结果表明,喷水推进器叶轮发生空化时,泵的流量、扬程明显降低,进而引起推力下降;在等功率条件下,随着进口速比的降低,喷水推进器叶轮空化程度越来越严重;进水流道空化的发生较喷泵叶轮空化滞后,喷口部分仅产生空间空化,较叶轮空化提前,而固壁上不产生空化;数值计算结果还证明空化限制线即为等汽蚀比转速线,且空化限制线1、2、3对应的汽蚀比转速分别约为1 280、1 390和1 580。     

轴流泵叶轮汽蚀两相流的数值模拟与分析

为了分析某型号轴流泵叶轮汽蚀状态下汽液两相流特征,本文基于均相流模型、RNG k-ε湍流模型与SIM-PLEC算法,分别从外特性和内部流场两方面分析了轴流泵叶轮的空化过程,通过定量分析不同NPSH下轴流泵的扬程下降和空泡分布的对应关系,讨论了不同空化状态下叶轮内部速度场和压力场的分布,寻找出轴流泵空化发生破坏的位置和发展趋势。数值模拟结果表明,空化初生时空泡产生于叶片背面进口轮缘处,随着轴流泵进口压力的不断降低,叶片背面外缘处空泡逐渐向轮毂侧发展,且外缘侧空泡不断向前推进,在装置汽蚀余量NPSH为6.62m时,空泡基本覆盖叶片的背面,此时叶片丧失了部分做功能力,且扬程下降明显。计算模型泵进行了现场运行试验,试验结果表明,数值模拟的空泡分布与实际破坏位置一致,验证了数值计算的准确性,也为解决轴流泵汽蚀破坏问题提供了内流流场参考。     

轴向柱塞泵低气压运行特性建模与试验分析

空化是影响液压系统动态特性的重要因素,为此开展了轴向柱塞泵低压环境下的工况研究。考虑气液两相混合油液的密度、体积弹性模量和黏度的影响,限制入口油腔的最低压力,建立轴向柱塞泵的压力流量模型,计算获得轴向柱塞泵在不同工况下的流量特性,并通过试验验证。研究表明:负载增大导致更严重的空化以及泄漏,并使容积效率降低;轴向柱塞泵在达到临界流量之后,转速提升只会加剧空化,而不能提升流量;最大容积效率出现在临界流量产生之前。为轴向柱塞泵低气压性能预测提供了理论支撑。     

Effect of the flat tank bottom on performance and cavitation characteristics of a cargo pump

A submerged cargo pump is installed vertically above the bottom of a cargo tank. The intake shape of the pump is an important operation parameter. Therefore, we investigated the performance and cavitation characteristics of the cargo pump with intake according to intake shape. A cargo pump was composed of an intake, inducer, impeller, and diffuser. First, a cargo pump with a straight pipe intake was measured. Next, the cargo pump with an intake applied the tank bottom shape was investigated. The results of performance and efficiency were compared. The flow characteristics in the inducer changed as the flow passed through the intake affected by the tank bottom shape. The pump head and the efficiency slightly decreased, but the inducer head considerably reduced. Since the incidence angle became a negative value and the cavity volume increased at the leading edge of inducer, the NPSHr (Required net positive suction head) increased. As the inlet pressure decreased, cavitation instabilities clearly appeared. Different gaps between the pump intake and the tank bottom were also investigated. The gap had a critical point without the significant performance loss decrease.     

角度变化系数对变螺距诱导轮性能的影响

在变螺距诱导轮设计过程中引入角度变化系数来控制型线变化的规律,利用自主开发的诱导轮设计软件,选取代表3种不同特征型线的角度变化系数,设计了3台不同型线变化规律的变螺距诱导轮,并通过数值计算的方法,研究了角度变化系数m对诱导轮性能的影响。结果表明,诱导轮的扬程与效率随着角度变化系数的增加逐渐降低,在m=0.5时诱导轮的扬程与效率最高;诱导轮的临界空化余量随着角度变化系数的增加而逐渐降低,在m=2时诱导轮的空化性能最优。因此,在进行诱导轮的角度变化系数选择时,要综合考虑诱导轮的能量特性和空化特性。     

涡旋液压泵内部流动与压力脉动的数值模拟

采用CFD技术对涡旋泵内部流场进行三维非定常模拟,得到了不同转角下工作腔内压力、速度、气相体积分数以及进出口流量等参数,并进一步分析了泵内的压力脉动。研究结果表明:由于泵进口位置的不对称以及高速旋转下动盘对油的扰动作用,导致2个工作腔内流动的不对称;在高压差的作用下,动静盘啮合间隙处存在高速射流现象,并在间隙下游产生大面积的空化;在吸液末期和排液初期工作腔内会产生较高的压力脉动,严重影响泵的稳定性;通过降低转速、增大轴向间隙、缩短型线长度等方法可有效改善压力脉动现象。     

Experiments on cavitation instability of a two-bladed turbopump inducer

The turbopump is a pressurizing system that supplies liquid propellants to the combustion chamber of a rocket engine at high pressure. As an integral component of a high-speed pumping system, the inducer used in a turbopump is forward-attached to an impeller to improve suction performance. This paper describes an experimental investigation on the flow instabilities of a two-bladed axial inducer due to cavitation. Cavitation development and its instabilities were analyzed. Asymmetric cavitation and cavitation surge were observed, and characterized by measuring the inlet pressure fluctuation for various cavitation numbers and flow coefficients. As flow coefficient decreases, the increased intensity of asymmetric cavitation was observed with an increased inception number of asymmetric cavitation. The frequency of the detected cavitation surge in the 4–10Hz range varied depending on the cavitation number. The instantaneous transition to cavitation surge appeared at the end of asymmetric cavitation as the cavitation number decreased. However, a further decrease in cavitation number resulted in the stable operation of the inducer with low values of pressure fluctuation. Finally, an intensive cavitation surge appeared after a significant amount of head loss.     

Comparison of cavitation prediction for a centrifugal pump with or without volute casing

Cavitation may not only cause head and efficiency breakdown of hydraulic machines but also generate other unfavorable phenomena such as noise and vibration. Therefore, the accurate prediction of cavitation development is important for various pump applications. In this paper, two numerical models, namely, models A and B, are applied to simulate the turbulent cavitating flows inside a centrifugal pump to investigate the effect of calculation domain on the prediction accuracy of cavitation performance for hydraulic machines. Model A has a calculation domain with volute casing, whereas model B has a single blade-to-blade flow passage without volute casing. Steady simulations of cavitating flow in the pump have been conducted based on the shear stress transport k-ω turbulence model and the homogeneous cavitation model. Both models A and B predicted that the pump performance decreases with decreasing cavitation number. Experimental results show that model B can predict better the critical cavitation number at the best efficiency point compared with model A, which is the full flow passage model. Internal flow investigations indicate that an asymmetrical feature of cavitating flow exists when the calculation domain with volute casing is applied. The asymmetrical cavitation development in different blade-to-blade flow passages for model A results in an over-estimation of the decrease in pump performance because of the interaction between the impeller blade and the tongue of the volute casing. A simple calculation domain without volute casing is preferred for steady cavitation prediction in pumps rather than the full flow passage with volute casing because the former has better convergence, less resource requirements, and lower time consumption.