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。     

诱导轮内流场数值计算及汽蚀特性分析

为得到诱导轮内部的速度场、压力场及湍流场的分布规律,在基于SIMPLEC算法上,采用了雷诺时均Navier-Stokes方程(简称N-S方程)控制方程和修正了的k-ε湍流模型,对两种结构参数的双叶片诱导轮进行了内部三维不可压湍流流动数值计算。计算结果表明诱导轮最容易发生汽蚀破坏的位置在进口外缘处,计算结果还表明增加诱导轮叶片轴向距离及导程有利于提高诱导轮的汽蚀特性。同时进行了不带诱导轮和带两种结构参数诱导轮的离心泵的外特性试验,试验结果表明离心泵在没有诱导轮的情况下较易发生汽蚀,而增加诱导轮能够明显改善离心泵的汽蚀性能,诱导轮的导程、叶片轴向长度、及其叶尖包角几何参数值等几何参数对汽蚀性能有较大影响。结合流场数值计算结果和试验研究结果,证实了通过增加轴向距离和导程等合理改变结构参数可提高诱导轮的汽蚀性能。     

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。     

诱导轮叶片开缝对高速离心泵空化性能的影响

为研究诱导轮叶片表面开缝对高速离心泵空化性能的影响规律,设计叶片开缝系数k为0(叶片未开缝)、6.7%、13.3%、20%和26.7%五种叶片开缝方案。基于RNG k-ε湍流模型和Reyleigh-plesset空化模型对高速离心泵进行全流道三维数值模拟,对比分析了诱导轮截面内流线和压力分布规律、诱导轮内空泡发展过程及离心泵的空化特性曲线。研究结果表明诱导轮叶片入口轮缘处开缝可减小亦或是消除该区域的低压区,且对离心泵的水力性能的影响较小;缝隙可抑制并减小初生空化阶段空泡体积分布;开缝系数k对高速离心泵空化性能的影响存在最优值,该研究中开缝系数k=13.3%时,诱导轮的空化性能表现最优。     

带前置诱导轮离心泵的汽蚀可视化实验研究

借助可视化实验装置对离心泵和诱导轮内部汽蚀空泡的产生和发展情况进行了观测。实验发现，随着流量的增大，离心泵内汽蚀空泡区受离心力作用会逐渐向下游移动，极易造成流道的阻塞，这将对泵的性能产生较大影响。诱导轮中的汽蚀空泡被压控在轮缘和前缘附近，对流道内部的流动影响较小。轴流诱导轮内的汽蚀发展情况揭示了其个有较高抗汽蚀能力的机理。     

诱导轮性能影响因素的数值模拟及试验研究

诱导轮汽蚀性能是提高泵抗汽蚀性能的关键因素,也是降低火箭发动机储箱重量的关键因素。本文采用ANSYS Fluent软件对9种不同叶片进出口安装角变螺距诱导轮方案进行了数值模拟计算,全面分析了叶片进口、出口安装角对诱导轮水力性能及汽蚀性能的影响规律。同时通过水力试验台采用2台基础泵分别对9个诱导轮方案进行水力性能和汽蚀试验,获取了诱导轮叶片进口、出口安装角对泵水力性能及汽蚀性能在水介质下的影响规律,为设计高汽蚀变螺距诱导轮提供了依据和经验。     

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。     

离心泵诱导轮的设计

通过对离心泵汽蚀现象和改善离心泵抗汽蚀性能的几个方案的分析,在不影响正常生产的前提下,设计了两级不同进口安放角的诱导轮以达到不等距诱导轮提高离心泵汽蚀性能的效果。经实际改造后,取得良好效果。     

离心泵内载荷及相对速度分布对汽蚀的影响

本文通过将叶片进口边向吸入方向适当延伸,对3 B-33离心泵进行了准三元改型设计,并通过实验以及对叶轮内流场的研究,分析了在不影响效率的条件下载荷分布和相对速度分布对泵抗汽蚀性能的影响。     

长短叶片离心泵汽蚀性能数值模拟分析及实验研究

为提高离心泵的汽蚀性能,利用CFD数值模拟分析与实验研究相结合的方法对长短叶片离心泵在不同汽蚀余量时叶轮内部气液两相的分布规律进行分析研究,分析了3种不同短叶片进口直径在不同汽蚀工况时气泡分布情况对叶轮内部流动和性能的影响。分析结果表明:选择合理短叶片的进口直径可以有效提高离心泵的抗汽蚀性能,避免叶轮进口堵塞和流道内发生漩涡汽蚀。当汽蚀余量减小到一定程度,离心泵短叶片进口直径为0.65D2(D2为叶轮外径)时,在长叶片和短叶片的背面都会出现漩涡汽蚀区;当离心泵短叶片进口直径为0.75D2时,在长叶片背面与短叶片工作面间的流道内会出现两个漩涡汽蚀区;当离心泵短叶片进口直径为0.85D2时,离心泵的抗汽蚀性能最佳。