轴流泵装置泵模式及反向发电模式压力脉动分析

为研究某立式轴流泵装置泵模式和反向发电模式的稳定特性，对该装置的泵模式和反向发电模式进行了全流道多工况数值模拟计算。通过数值模拟研究不同模式下的压力脉动分布规律，最终结果表明：泵模式下，最大压力脉动幅值出现在转轮进口前，约为转轮出口处的2倍。反向发电模式下，在轴向上转轮出口的压力脉动幅值最大，约为转轮进口处的2倍。两种模式下，转轮进口、转轮出口和导叶出口的压力脉动整体呈周期性，且主要受到转轮转动的影响。在频域方面，压力脉动主频为叶频，次频为主频的整数倍；与泵模式相比，反向发电模式下的压力脉动幅值整体更高，设计工况下反向发电工况压力脉动幅值高出约25%。研究结果可为泵站机组在泵模式和反向发电模式下保障其运行稳定以及改善压力脉动特性提供理论参考。     

竖井位置对双向贯流泵装置水力特性的影响

双向竖井贯流泵作为一种可实现双向抽引的低扬程泵装置形式,在平原城市地区应用广泛,而竖井布置位置一直是工程实际中需要考虑的问题之一。本文通过三维造型软件建立模型,并使用全结构化网格划分方法划分竖井流道、直管流道、叶轮段及导叶段网格,数值计算控制方程为连续性方程、k-ε湍流模型方程和雷诺时均方程并采用稳态计算对双向竖井贯流泵装置进行模拟。计算分别模拟了竖井贯流泵的竖井前置、后置两种情况下泵装置叶轮正向反向运行共计四种运行情况的水力性能特性。结果表明,设计工况下无论竖井后置或是前置,泵装置正向运行效率皆高于反向运行。无论泵装置正反向运行,竖井流道和直管式流道作为进水流道时流态皆较为平顺,水力性能差异不大;泵装置正向运行时竖井流道和直管式流道作为出水流道时尽管因造型不同内部流态有所差异但总体水力损失较小。反向运行时出水流道环量不能被导叶回收,产生能量损失较正向运行大,而此时竖井流道作为出水流道水力性能要劣于直管式出水流道。     

超低扬程双向流道泵装置压力脉动特性研究

沿江泵站承担了灌溉、排涝、水环境治理等双向引排水任务，受长江潮位影响，双向水泵装置经常运行至零扬程附近，实际流量超过设计值30%以上，流道水力损失增大，流态紊乱，易引起水力振动，影响机组运行安全。采用CFD技术对沿江某低扬程双向流道泵装置进行水流流动及压力脉动特性研究，并结合模型试验进行验证。研究表明：超低扬程工况下，泵装置进出水流道盲端存在较大回流，出水流道内回流强度较大，导致水力损失增加；进水流道内测点主频为6倍转频，次主频为1/8倍转频；出水流道内测点主频无明显规律，但幅值相近，低频脉动占主导地位。研究成果可为沿江泵站超低扬程工况下水泵装置水力振动研究提供参考。     

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。     

太浦河泵站斜15°轴伸泵水力动态力分析

太浦河泵站选用斜 1 5°轴伸式轴流泵 (以下简称斜 1 5°轴伸泵 ) ,为特低扬程、大流量的水泵。它具有叶轮直径大、水泵装置流态复杂、水泵轴承受力大等特点。本文针对太浦河泵站斜 1 5°轴伸泵 ,进行了水泵装置从吸入口至出口包括叶片、导叶、弯管段等在内的整体三维粘性流动分析 ,得到了流道内部不同工况下的流动特性如压力、速度分布规律及泵特性曲线 ,以及流道内部的旋涡分布和水力损失情况。同时进行了导叶和叶轮流动动静干涉引起的三维不稳定流动分析 ,得到了叶轮在不同工况下受到的轴向水推力及径向水推力在旋转过程中的变化规律 ,从而为轴承设计提供了比较准确的受力条件。该项研究对其它斜式泵的内部流态及受力分析也是一个很好的借鉴。     

轴流泵偏工况压力脉动和内流特性分析

轴流泵在偏离设计工况特别是小流量工况马鞍区附近运行时,流道内部强烈涡旋会造成剧烈的压力脉动,影响了泵组的安全稳定运行。本文以高比转速轴流泵为研究对象,对轴流泵5个流量工况点进行了整体流道三维流动计算,探讨该轴流泵运行时的非定常流动特性。数值计算采用RNG k-ε湍流模型,5个定常工况点计算的外特性曲线与轴流泵性能特点研究结果一致。对0.2Q_d和1.0Q_d工况进行非定常计算,结果显示,相同位置测点间的压力脉动混频幅值和频率均存在明显差异,0.2Q_d工况下相同位置测点间的压力脉动峰峰值最大超过1.0Q_d工况下4倍,说明此时流道内的流态分布很不均匀。测点离叶轮和导叶越近,低频脉动的主频受动静干涉引起的3fn和5fn脉动幅值就会明显增强,0.2Q_d工况下流道内测点受动静干涉作用的影响更强,脉动幅值为1.0Q_d工况下相同位置测点的3～5倍,且在转轮和导叶流道内影响的范围更广。结果表明,0.2Q_d小流量工况运行时压力脉动比1.0Q_d     

大型双向贯流式潜水泵装置的研究与应用

采用RNG k-ε紊流模型,通过对泵装置内部流动特性的三维紊流数值模拟,研究了城市引排水泵站大型双向贯流式潜水泵模型装置的性能。分析了不同导叶对泵装置水力性能的影响。计算结果表明,采用短直导叶的装置在正反向抽水时的性能均能较好地满足设计要求。模型试验的结果确认了双向贯流式潜水泵装置的优良性能,在扬程（1.45-1.65）m时正反向最高效率均已超过62.5%,验证了数值模拟计算的结果。泵装置内部流动特性数值模拟有助于对泵装置结构优化,对双向泵装置在高效区的性能预测是可信的。该泵装置已在城市生态引水及防洪排水工程中成功应用。     

后置导叶对潮汐双向贯流式机组性能的影响

潮汐双向贯流式水轮机与常规贯流式水轮机的重要区别在于其需要兼顾正向和反向来流工况.为了均衡提升双向贯流式水轮机正反向运行条件下的性能,针对某潮汐双向贯流式水轮机,本文采用商业软件ANSYS CFX,研究了不同后置导叶位置和数量对双向贯流式水轮机性能及内部流动特性的影响.对比结果可知,后置导叶位置和后置导叶数量对机组反向...     

箱型双向流道轴流泵装置内部流动的数值模拟和试验研究

箱型双向流道泵装置结构简单,实用性好,然而传统的箱型双向流道泵装置存在泵装置效率较低、进水流道内易产生水下漩涡的问题,导致机组振动,危害运行安全。针对此类问题提出新型曲线扩散出水结构和进水导流墩设计方案,用于箱型双向流道泵站的更新改造。通过箱型双向流道泵装置内流场的数值模拟计算,分析了流动规律,获得了泵装置外特性曲线。同时在标准模型水泵试验台上进行了模型的性能试验,并与计算的性能曲线进行了比较,二者在高效区较为接近,说明计算可信。新的设计方案提高了泵装置效率,消除了水下漩涡,可以有效地保证泵机组运行的经济性和安全性。     

改善失速工况下轴流泵水力性能的研究

基于非定常的RANS方程,采用滤波器湍流模型对某一轴流泵模型在不同工况下的内部流场进行数值计算。通过与模型泵水力性能试验结果进行对比,发现与标准k-ε模型相比,无论在最优工况点还是在不稳定的失速工况区,滤波器湍流模型具有较高的预测精度。利用沟槽流动控制技术对进口锥管进行结构优化,研究其对轴流泵水力性能以及叶轮进口前的速度场和压力脉动的影响。结果表明,沟槽流动控制技术能够减弱叶轮进口前的预旋,提高叶轮进口入流的均匀性,同时可以有效降低叶轮进口前强烈的低频压力脉动,从而改善失速工况下轴流泵的水力性能。     

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。     

基于动网格水泵水轮机泵工况的压力脉动分析

为研究水泵水轮机活动导叶运动过程中泵工况的压力脉动特性,本文基于动网格技术对泵工况导叶运动过程进行瞬态数值模拟,得出了各个区域的压力脉动幅值与频率特性,并与导叶固定工况的数值模拟结果进行了比较。分析表明,泵工况中活动导叶启动过程中低频压力脉动成分复杂且幅值较高,主要受到由导叶运动引起的复杂流动的影响。本文的结论对泵工况导叶启动过渡过程的稳定性研究具有一定参考价值。     

小流量工况下混流式核主泵叶轮压力脉动分析

为探究小流量工况下混流式核主泵叶轮的压力脉动特性,基于计算流体力学方法,对核主泵迚行全流道定常与非定常数值模拟。寻找叶轮压力脉动的觃律,分析压力脉动的时域与频域特性,探究产生压力脉动的原因。结果表明,叶轮内压力脉动主要表现为叶频及其谐频诱发的振动,叶轮与导叶之间的动静干涉作用是叶轮内产生压力脉动的主要原因。叶轮叶片静压值以近似正弦的觃律变化,且主要集中于中低频压力脉动。随着流量的减少,叶轮叶片迚口处中低频压力脉动的幅值增大。若流量过小,整个叶轮的振动都将明显加剧。     

对角泵叶轮基本流态研究

在介绍对角泵基本特征的基础上,运用计算流体动力学方法,对一组对角泵叶轮的基本流态进行了数值分析,对不同叶片夹角的对角泵叶轮纵断面、出口断面速度分布及叶片压力面静压力分布特性进行了定性比较和定量计算.研究发现,对应于不同的叶片夹角,对角泵叶轮的能量性能差异很大.轴流泵叶片对角布置后,离心力的作用使对角泵叶轮的扬程提高.与对应的轴流泵相比,对角泵的最优效率点向小流量方向偏移,高效区变宽.过大或过小的叶片夹角都不利于叶轮效率的提高,应通过优化设计确定最优夹角.计算结果表明,叶片夹角为150°的对角泵叶轮能获得较高的流量加权平均效率.随着叶片夹角和流量的减小,对角泵叶轮的功率不是增加而是减小,功率特性由轴流泵逐步向离心泵过渡.     

“工字型”双向流道泵站装置特性试验研究

本文对“工字型”双向流道的过流性及流态进行了试验分析,结合望虞河望虞河泵站模型试验,对“工字型”双向流道泵装置特性进行了试验研究,得出了泵装置综合性能曲线,同时对流道内的流态进行了观测研究,提出了改善流态的有效措施,该研究成果不仅对望虞河泵站的设计和施工提供了必要的依据。对以后同类氏扬程泵站的选型和设计同样有较大的参考价值。     

贯流泵内部压力脉动特性的数值计算

压力脉动是影响贯流泵稳定运行的关键因素之一,本文采用大涡模拟对其内部流场进行分析总结,研究表明：压力脉动主要受叶轮旋转及动静相互干扰的影响;叶轮外缘与壁面间隙的存在,使小部分流体会从高压压力面流向低压吸入面出现回流,而加剧了压力脉动的影响,其幅值为进口压力脉动幅值的38倍;在大流量和小流量下压力脉动幅值均大于设计工况下的压力脉动幅值,导叶的整流特性减弱了叶轮压力脉动的影响;非设计工况下,在叶片进口边处,压力脉动幅频谱幅值最大,水力激振与叶轮旋转的影响相互叠加,在小流量下幅频谱幅值最大约为设计工况的1.5倍,在大流量下约为1.1倍。     

抽水蓄能机组泵工况分阶段启动及经济运行

在仙游抽蓄电站机组调相转抽水的过程中,由于导叶开启过快,使得电机功率改变量较大,导致电网频率波动较大。对此,本文提出了在泵工况采用导叶分阶段线性启动的解决方法。基于高扬程水泵水轮机模型转轮特性数据,研究了不同导叶开度时机组运行的稳定性;分析了水泵流量、轴功率、效率与扬程和导叶开度的关系,提出了确定泵工况高效经济运行最大导叶开度的方法。通过对水泵和水轮机工况区压力脉动的比较分析,得出水轮机工况的压力脉动比水泵工况相同位置的大得多,所以水泵工况也可以采用导叶开度分阶段开启方式的重要结论。对水泵零流量工况的分析表明,当水泵启动时,采用缓慢开启导叶的方式有利于避免发生较大的零流量压力脉动现象。同时,选择较小的导叶开启目标开度有利于减小零流量压力脉动强度。最后,水力过渡过程计算示例表明,在水泵启动过程每个阶段导叶保持不变的过程中,水压和轴功率波动幅度较小且很快衰减,机组能够稳定运行,发生超过水轮机工况压力脉动的风险微小。由于高水头或高扬程水泵水轮机转轮单位流量和力矩特性及压力脉动具有类似特点,上述结论也可供其它抽蓄电站参考。     

正导叶进出口角对多级液力透平性能的影响

为揭示正导叶进出口角对多级液力透平性能的影响，以一台3级离心泵作液力透平为研究对象，利用速度矩相等并根据叶轮和反导叶几何参数推导出正导叶进出口角，设计出推导后的三种导叶模型，通过计算流体力学软件CFX对初始方案和三种新方案进行数值模拟并对比分析。结果表明：三种新方案在各个流量工况下效率均有明显提高，且高效运行范围变宽，其中新方案中方案C液力透平的性能最佳，在最优工况下效率提升了2.15%；内流方面，新方案下的多级液力透平在正导叶与叶轮之间的压力分布更加均匀，各级叶轮叶片进口附近的漩涡区域变小，同时对于进口处较高的湍动能区域也有明显减弱。上述研究可为今后多级液力透平导叶设计和优化提供一定参考。     

大型泵站双孔出水流道偏流分析

原型观测和模型试验都表明,轴流泵和导叶式混流泵双孔出水流道两孔流量不等,存在偏流.指出流道水力损失与水流环量有关,分析偏流对流道水力损失和泵装置效率的影响,研究偏流形成机理,提出消除偏流的方法.结果表明:水泵出流环量和出水弯管二次流共同作用形成了出水流道偏流,偏流使出水流道水力损失增大,泵装置效率下降.增大后导叶出口安放角,可以消除环量和偏流,提高泵装置效率1.6～2.4个百分点.     

中低比转速带导叶离心泵出水边倾斜角对无叶区压力脉动的影响研究

为研究中低比速带导叶离心泵叶片出水边倾斜角对叶轮和导叶干涉作用而引起的压力脉动的影响,在保证叶轮基本参数和叶片进出口安放角变化规律不变的情况下,通过改变叶片出水边倾斜角而设计2种计算方案。基于RNG k-ε湍流模型、SIMPLEC算法和无滑移网格技术,分别对2种叶片出口边倾斜角的叶轮的离心泵进行全流道非稳态数值计算,得到不同叶片出口倾斜角的叶轮无叶区压力脉动特性,并对其进行分析,计算结果表明叶片出水边倾斜角对无叶区压力脉动影响明显。本文对大型带导叶离心泵叶片水力设计提供一定的指导意义。