主动脉穿刺型轴流血泵折边结构叶轮的数值模拟及溶血分析

为解决血泵因叶顶间隙泄漏而造成溶血和血栓等问题,引入了一种折边不等间距叶轮,采用计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)进行内部流场的数值模拟,并与非折边不等间距叶轮及折边等间距叶轮进行对比分析,研究了它们的内流场动力学特性和血液相容性.结果表明:折边叶片结构血泵避免了叶顶间隙泄漏流的产生,同时折边不等间距叶轮减少了叶轮入口和出口处的回流和涡流,流道内整体切应力低于其他2种叶轮;3种叶轮的溶血指数HI均满足血泵的溶血设计指标,其中,折边不等间距叶轮血泵壁面切应力在0~150 Pa的占比达96.84%,曝光时间相对集中且满足人工血泵设计要求,溶血指数较非折边不等间距叶轮血泵下降了3.50%,较折边等间距叶轮血泵下降了12.50%,溶血性能最优.提出的折边不等间距叶轮血泵可有效降低红细胞破损概率,减少溶血和血栓的发生,可为轴流血泵的结构设计和优化提供一定参考.

屏蔽式离心泵浮动叶轮轴向力平衡方法

为了实现屏蔽泵离心叶轮轴向力平衡,设计浮动叶轮轴向力自平衡结构,借助全流道三维数值模拟手段,研究浮动叶轮的轴向力平衡作用机理和影响因素.在对数值模拟方法进行试验验证的基础上,开展针对不同工况下叶轮不同轴向位置轴向力的数值计算.数值模拟结果表明,在同一流量工况下,在叶轮浮动范围内,当叶轮向泵入口方向移动时,泵前腔泄漏量减小,扬程和效率增大,且越靠近入口,对泵的性能影响越显著.轴向力呈现先减后增的趋势,在远离入口时方向指向泵入口,在靠近入口时,叶轮轴向力迅速增大,实现反向,指向泵出口,帮助叶轮停止向入口移动,这种轴向力变化趋势可以使叶轮在工作时始终处于浮动状态,实现轴向力自平衡.

双吸泵交错叶轮内流诱导噪声

为研究叶轮交错布置对双吸泵内流噪声的影响,根据叶片夹角设计了4组叶轮交错方案.在设计工况下,采用标准k-ε湍流模型对双吸泵内部流动进行了非定常数值模拟,基于数值模拟结果提取偶极子声源,应用直接声学边界元法计算了双吸泵内声场,分析了不同叶轮交错方案对泵能量性能、压力脉动和内流噪声等的影响规律.研究结果表明:叶轮交错布置能够提高双吸泵能量性能,扬程和效率最高分别提升3.0%和5.7%;随着交错角度增大,压力脉动峰峰值逐渐减小,最大降幅达79.6%;当交错角为叶轮夹角的1/2时,蜗壳内流场压力脉动、偶极子声源流动噪声和声压频响曲线的主频均从1倍叶频变为2倍叶频,且主频处幅值明显降低;随着交错角增大,吸水室、叶轮和蜗壳表面高声压区范围逐渐减小,表面声压最大值和声压频响曲线逐渐降低,最大降幅分别为9.9%和18.7%.研究结果可为双吸泵优化设计和减振降噪提供一定的理论参考.

叶轮中心淹没深度对特低扬程下立式泵装置流道水力性能的影响

为提高特低扬程泵站立式轴流泵装置的水力性能,该研究对叶轮直径为3.0、2.5、2.0、1.5 m的立式轴流泵装置在不同叶轮中心淹没深度下的进、出水流道流场分别进行了三维湍流流动数值计算,并对流道流场和水头损失进行了分析比较;对某特低扬程泵站在叶轮中心淹没深度为3.08、2.38、1.68 m下的立式轴流泵装置水力性能分别进行了数值计算及比较,并进行了泵装置模型试验验证。研究结果表明:叶轮中心淹没深度对肘形进水流道的水流流态及水头损失的影响很小,但对虹吸式出水流道的流态和水头损失影响较大;随着叶轮中心淹没深度的增大,虹吸式出水流道内的流态逐渐改善,流道水头损失基本呈下降趋势,泵装置效率逐渐增大,特低扬程工况下泵装置模型试验最优工况点的效率达75.92%,泵装置能量性能数值模拟结果与模型试验结果基本一致。研究结果可为特低扬程泵站采用立式泵装置的设计提供一定参考依据。

CAP1400核主泵叶轮动应力计算及疲劳寿命预测

为实现核主泵叶轮疲劳寿命预测,考虑叶轮高温高压的恶劣运行工况建立流-热-固耦合计算模型,应用ANSYS CFX软件对核主泵叶轮内部流动的压力载荷和温度载荷进行非定常数值计算,在ANSYS Workbench中实现载荷向结构的传递,并对叶轮动力响应疲劳载荷开展研究.利用雨流计数法对叶片危险部位的载荷数据进行统计分析,进一步结合Palmgren-Miner理论对核主泵叶轮的最小疲劳寿命周期进行预测.研究结果表明:叶轮在旋转过程中承受周期性交变应力的作用;叶轮叶片进、出口边与前、后盖板交接处容易发生内部应力集中,最大应力出现在叶片出口边与前盖板交接处,为142.57 MPa;叶片各危险部位承受应力波峰和波谷的时间基本一致;叶轮产生的疲劳为应力疲劳,疲劳破坏首先发生在叶片进口边与后盖板交接处;计算得到叶轮的疲劳寿命为277.94 a.研究结果可为叶轮的动态强度优化和疲劳设计提供一定参考.

基于增材制造叶轮的熔模铸造工艺研究

使用FDM 3D打印增材技术和数值模拟软件对叶轮熔模铸造过程进行了研究。设计了底注式、顶注式和侧注式浇注系统,利用AnyCasting软件对各个浇注方案进行数值模拟分析,得到最佳浇注方案。采用增材制造技术和熔模铸造工艺制备出了合格铸件。结果表明,AnyCasting软件可以准确预测熔模铸造的缺陷,熔模铸造工艺可以很好地结合增材制造技术,并且能获得优良铸件。该研究解决了由于叶轮模具制造工艺繁琐所带来的铸造缺陷问题。

仿生圆弧微槽对离心叶轮气动性能影响的数值研究

为提升离心叶轮的气动性能及降低流动损失,以鲨鱼表皮微沟槽为仿生原型,结合数控加工工艺开展了仿生圆弧微槽对离心叶轮气动性能影响的数值研究。针对叶片压力面和吸力面,首先在50%叶高处分别布置不同尺寸的仿生圆弧微槽,探求能使离心叶轮性能得到提升的最佳微槽尺寸;然后,分别按一定叶高间隔布置最佳尺寸的仿生圆弧微槽,研究微槽数量对离心叶轮流场和性能的影响;最后,按不同叶高间隔同时布置不同数量的仿生圆弧微槽,进一步探究其对气动性能的影响规律。数值结果表明:相对宽度为2%、深度为5%的微槽是提升离心叶轮性能的最佳微槽尺寸;在压力面和吸力面分别以7%、6%叶高间隔布置13、16条微槽,能够显著改善叶轮出口截面的流场分布,从而降低流动损失;在压力面和吸力面同时布置最佳尺寸及数量的微槽,能够进一步提升离心叶轮的气动性能,设计工况下等熵效率提升了0.63%,压比提升了0.40%。研究工作可为离心叶轮的设计优化及数控加工提供参考。

液环真空泵叶轮与壳体型线的协同优化

为研究液环泵叶轮与壳体型线对其性能的耦合影响关系,采用高阶Bezier曲线和直接自由曲面变形(DFFD)方法对叶轮及壳体型线进行参数化控制,根据拉丁超立方(LHS)抽样方法,建立液环泵叶轮和壳体型线参数与真空度和效率间的径向基函数(RBF)代理模型,基于NSGA-Ⅱ算法实现液环泵叶轮和壳体型线耦合多目标优化。结果表明:叶轮与壳体耦合多目标优化得到的模型K(真空度最优模型)的真空度提高了11.2%,模型J(效率最优模型)的效率提高了4.1%;叶片包角的增大和扩张的吸气段壳体型线有助于提高泵的进口真空度,出口安放角的增大、收缩的吸气段型线以及扩张的排气段型线可降低泵内水力损失,提升效率;叶轮与壳体型线的耦合优化效果明显优于独立优化;在相同代理模型条件下,叶轮与壳体的分步优化与耦合优化结果基本一致。

叶轮逆向设计与五轴加工技术的研究

针对叶轮逆向设计与五轴加工技术进行了研究。基于Geomagic软件,采用三维扫描仪对叶轮进行数据采集和处理,生成叶轮的三维模型,并对叶轮曲面精度和质量进行了分析。同时,利用NX软件进行五轴编程设计,生成了叶轮的加工程序,并在五轴机床上进行了试切加工验证。结果表明:该方法可以有效提高叶轮的设计和制造效率,为叶轮的应用提供了有力支持。

钛合金整体叶轮高效加工工艺研究

针对钛合金整体叶轮形状复杂、叶片长而薄以及钛合金难加工的特点,采用“3+2”定轴法开粗和分层法加工叶轮,以达到提高加工效率、加工质量以及降低加工成本的目的。

叶轮机械综合实验课线上线下混合教学探索与实践

叶轮机械是航空发动机以及能源动力系统的关键部件,在国家积极推进“航空发动机和燃气轮机重大专项”的背景下,立足本校学情,对专业实验课叶轮机械综合实验的教学模式进行探索与实践。通过对目前叶轮机械实验课程的教学情况进行分析,根据线上线下混合式教学理念及其教学模式优势,针对所提出的问题,对实践课混合教学模式进行研究与探索。该教学方法探索全方位解决学生在课前预习、课堂实验操作及课后实验报告这三个主要环节中存在问题的途径,并且解决传统高速跨声速叶轮机械实验受安全限制无法线下开展的问题。通过线上线下混合式教学模式的实施,不仅保留传统实验教学的实际操作体验,而且将信息化网络化创新带入实验课堂,进一步优化当前的叶轮机械实验课教学模式,提升实验教学的新高度。

基于NSGA-Ⅱ的滑油泵叶轮结构优化设计

滑油泵常需要在高空、低压工况下稳定运转,常会出现供油不足、效率降低等问题。为了得到满足设计要求且具有最佳性能的滑油泵,以某直升机用滑油泵叶轮为研究对象,对其结构进行优化设计。选择高空两个典型工况的效率与扬程作为优化目标,利用NSGA-Ⅱ算法对滑油泵叶轮几何参数进行寻优,对优化前后的滑油泵效率、扬程进行对比分析。采用CFD流体仿真及实验方法对优化结果进行对比验证。结果表明:所选优化参数对滑油泵性能有较大影响,优化后的滑油泵叶片位置附近流动更加平稳,高低压区域过渡平缓,能量损失更小,且降低了汽蚀发生的可能性;优化后的滑油泵设计点扬程提高2.6 m,效率提高2.86%。

叶轮开孔参数对气液两相高速离心泵的影响

为保持高速离心泵在气液两相条件下的性能稳定性,采用CFD数值模拟方法探究不同孔径和位置叶轮开孔对高速离心泵的性能影响。结果表明:开孔泵的性能趋于稳定,随着入口含气率的增大,开孔泵的扬程逐渐降低。而原始无孔泵扬程随着入口含气率的增大而显著下降。因此,在入口含气率较大的情况下,开孔可以提高高速离心泵的性能;当入口含气率不足时,有孔泵的性能不如原始无孔泵,扬程随着孔径的增大而减小。当孔径为3.5 mm时,扬程衰减超过18%,因此孔径不应>3 mm;随着开孔孔径的增大,叶轮中的气体体积减小,而孔径越大,泵内的水力损失越大。因此在选择孔径时,必须在叶轮中的气体体积和泵的水力损失之间进行权衡;开孔的径向位置值越小,孔越靠近叶轮中心,水力损失越大;开孔的径向位置值越大,叶轮中气体体积就越大,在选择开孔的径向位置时,仍然需要权衡。对于所研究的高速离心泵,仿真结果表明,径向位置为14 mm和孔径为2 mm的选择是可取的,可以很好地平衡叶轮中气体体积和水力损失。

疫苗厂房循环水泵叶轮切割节能技术应用研究

疫苗生产厂房的水泵是能耗较大的设备之一,针对昆明某疫苗生产厂房冷水机组冷却塔循环水泵运行能耗较高,通过采用叶轮切割技术改变水泵的性能曲线,调整水泵的流量及扬程,降低传输到水流体中的能量,切割后保证水泵运行参数满足工艺要求,使水泵在高效区范围内运行,达到节能降耗的目的。

不同叶顶弯曲对离心叶轮性能影响机理

面对现代发动机对离心叶轮性能需求不断提高的背景,叶顶弯曲具备有效改善离心叶轮气动特性的能力,本文通过数值模拟的方式对不同叶顶弯曲方向、弯曲形式、弯曲程度的压气机性能进行预测,基于仿真结果对不同流动状态下压气机内部流场进行分析,给出了叶顶弯曲压气机性能变化机理。结果显示:负弯叶轮有助于提升压气机峰值效率,提高压气机堵塞流量。正弯叶轮则在损失部分效率的情况下,使压气机失速裕度得到提升。弯曲叶轮主要通过改善叶顶前缘载荷,重构叶轮通道内静压分布,从而削弱激波强度、减少二次流损失、抑制低能涡发展,达到提升压气机性能的目的。本文研究结果可为离心压气机叶片改型设计提供参考。

基于直驱机床的航空整体叶轮加工效率优化方法研究

为解决航空叶轮在复杂五轴联动加工过程中的效率和精度控制难题,本文基于直驱机床围绕加工参数对表面粗糙度和加工时间的影响进行了深入分析。首先通过与传统机床进行加工对比,证明了直驱机床的精度与速度方面的优势;其次针对原点坐标的研究揭示了原点位置对加工效率的影响,尤其是当原点接近A、C轴中心时,加工效率显著提高;最后通过正交试验法研究了转速、每齿进给量、切宽这3个关键因素,并发现每齿进给量是影响表面粗糙度的主导因素,其次是切宽,而转速的影响较小。在保证粗糙度小于1.6μm的前提下,以转速20000 r/mim、每齿进给量0.03 mm、切宽0.6 mm的参数组合获得最优结果。基于优化的工艺参数不仅提升了加工效率,节约了43.3%的加工时间,还确保了加工质量,为航空叶轮的精密加工提供了重要的技术参考,同时为基于直驱机床的复杂零件高效加工提供实践指导和理论依据。

叶轮零件增减材复合加工工艺规划及虚拟仿真加工研究

针对叶轮零件结构复杂、加工难度大等问题,对其结构及工艺特点进行分析,制定增减材复合加工工艺规划,并基于NX软件设计增材和减材加工的刀具轨迹,最后通过在VERICUT中构建的虚拟仿真系统对加工过程进行仿真,验证增减材复合加工工艺及NC程序的正确性。虚拟仿真加工结果表明,该方法可为复杂零件高效、高质量加工提供一种新的思路和参考。

叶轮与导叶宽度匹配参数对LNG泵压力脉动特性的影响研究

应用CFD技术研究了叶轮和导叶宽度匹配设计对LNG潜液泵压力脉动特性影响,进行了宽度匹配设计,采用K-epsilon湍流模型进行了多工况数值模拟,引入无量纲参数R(导叶进口宽度/叶轮出口宽度)进行结果分析,分析验证了泵的外特性,得到了LNG泵的时、频域压力脉动特性等。结果表明:压力脉动主频为叶轮的叶频,次频为其倍频。时域峰值与监测点处的相对位置有关,相对于交界面越近,时域峰值越大。压力脉动幅值随R增加先减小后增大,存在最佳宽度匹配方案使得泵压力脉动峰值降低。

沙集泵站改造叶轮选型及流道改形研究

针对沙集泵站空化汽蚀较为严重,在工程加固改造时主体结构不变,无法通过降低站房底板增加叶轮淹没深度,从而提高空化性能的实际问题,采用计算流体动力学CFD方法,考虑泵站进口不同水位,对水泵装置全流道内部流动进行数值分析,研究水泵空化和能量特性。小幅降低叶轮中心高程,不仅未能减小空化范围,反而降低了泵装置效率,不宜采用。通过优选水泵水力模型、降速、增径并适当修整流道等方法,在保证泵装置能量性能的前提下,提高水泵空化性能。结果表明,采用方案一:叶轮直径增至1.68 m,转速降至250 r/min,基本消除了叶片进水边附近的附着空化,同时能够满足泵站特征水位组合下的流量和效率。成果也可用于类似泵站的设计和机组的选型。

潜油电泵叶轮参数优化及流场特性分析

潜油电泵在油田生产中发挥着至关重要的作用,其叶轮结构决定了电泵工作效率和可靠性。以流量为250 m^(3)/d的潜油电泵为研究对象,采用数值模拟计算方法,研究了叶轮内部流场分布规律。利用正交实验法,得到了叶轮结构参数优化方案。结果表明:叶片包角较小会减短流体做功路径,较大会增加流道内的摩擦损失。优化后的潜油电泵单级扬程提高了8.2%,水力效率提高了1.12%,叶轮内部流场二次流减少,减小了流动损失。该研究内容为潜油电泵叶轮结构改型优化提供了理论指导。