降速方式对混流泵压力脉动特性的影响

混流泵在降速过程中的内部流动特性变化对其性能和稳定性有重要影响。针对这一问题,该研究探究了混流泵在降速过程中内部流动的复杂性,尤其关注不同降速方式对泵内压力脉动特性的影响。通过构建多通道测试系统,收集了混流泵在不同降速方式下的外特性参数信号和泵内压力脉动信号。并采用非稳态信号处理技术,从时域、频域和时频三方面探究不同降速方式对叶轮出口和导叶内部的压力脉动特性的影响以及二者之间的相关性。结果表明,泵内压力脉动的峰值和样本熵的变化趋势与不同降速方式的幂指数呈正相关关系;在整个降速过程中叶轮出口压力脉动对导叶内压力脉动起主导作用;叶轮出口和导叶内部压力脉动之间的相干频率主要集中于80~120 Hz之间;在不同降速过程中叶轮出口和导叶内部的压力脉动之间强相关区域的频带范围保持不变,但是强相关区域在整个降速过程频带范围中的占比有所变化;对于具有固定初始转速和目标转速的降速过程,降速方式的改变不会影响叶轮出口和导叶内压力脉动的相干频率。研究结论可为揭示混流泵瞬态运行特性及提高混流泵降速运行中的稳定性提供参考。

水泵水轮机S特性区能量损失及流动特性研究

为了调节电网的稳定性,抽水蓄能电站需要频繁启停和变换工况运行,导致水泵水轮机容易进入S特性区,机组振动增加,并网失败。本文以模型水泵水轮机为研究对象,采用熵产理论详细分析了S特性区不同工况下的能量损失规律,明确了熵产率分布与内部流动结构的关系。结果表明:S特性区内近飞逸工况总熵产最大,约为设计工况的5.1倍,脉动熵产占据的比例接近80%,随着流量的减小,转轮熵产占比逐渐降低,活动导叶和尾水管的熵产占比增加。小流量工况转轮进口靠近下环位置首先出现了明显的漩涡,导致了活动导叶出口和转轮进口的高熵产区,随着流量进一步减小,漩涡逐渐向上冠转移,并且切向速度增大,在转轮进口形成挡水环,阻碍水流进入转轮,在无叶区内出现了环状分布的高熵产区。反水泵工况,水流在低压边与逆时针旋转的叶片撞击,导致水流很难进入叶片内部,形成了大尺度的回流涡结构;双列叶栅内充满大量涡结构,导致活动导叶吸力面的熵产率增大,并且向固定导叶传播。

吸入涡形成机理及其对离心泵性能的影响

泵站运行在淹没深度较小工况下进水池内容易产生吸入涡,影响泵站安全稳定运行。为研究离心泵吸入管进口前吸入涡形成机理及其对过流部件的影响,本文采用可视化试验捕捉吸入涡动态发展过程,并结合数值模拟分析了吸入涡的诱因以及对叶轮性能的影响。结果表明:可视化试验验证了数值模拟吸入涡从初生、发展、强化到保持阶段的准确性。在计算工况下,进水池内会产生贯通吸入涡,空气沿“漏斗形”气柱进入吸入管,并以不断脱落的破碎气囊形式持续进入过流部件;吸入涡形成过程是具有一定周期性的能量聚集-维持-耗散过程,主要受大速度梯度影响;吸入涡携气进入吸入管,造成吸入管内部流动紊乱,流速分布均匀度及速度加权平均角均明显降低,导致叶轮轴向均匀入流假设失效,进而影响叶轮内部流动;吸入涡的发展与叶轮功率、效率有明显相关性,在其携气过程中,气相聚集导致叶轮流道内靠近叶片吸力面侧产生低速区,叶片正背面压差明显降低,叶片载荷分布不均,叶轮做功能力降低。

基于熵产理论的水轮机尾水管涡带研究

为了研究水泵水轮机部分负荷工况尾水管涡带产生的原因和压力脉动特性,本文以模型水泵水轮机为研究对象,对内部流动进行了全流道三维数值模拟并采用熵产理论进行了分析。计算结果分析表明:数值模拟与实验值吻合较好;固定导叶和蜗壳内的总熵产很小,而转轮和尾水管内较大,在小流量工况叶片压力面产生的流动分离会导致高熵产率分布区域的出现,并且会随着流量的进一步减小而扩大;在部分负荷出现了粗壮型和纤细形两种涡带,均呈现螺旋形,涡带的形成与叶片出口环量偏离零环量有很大关系;涡带的出现会在尾水管内形成漩涡,阻塞尾水管通道,涡带跟随转轮同方向旋转,但是转速更低,因此尾水管出现幅值较大的低频压力脉动。

离心泵叶顶泄漏涡结构特性研究

叶顶间隙产生的泄漏涡会对半开式离心泵性能产生不利影响,为了探究不同流量工况下泄漏涡结构及其运动轨迹的变化规律,本文采用SST k-ω湍流模型对半开式离心泵进行全流道数值模拟,分析了泄漏涡的结构特征和泄漏流速度分布,改进了泄漏涡运动轨迹预测模型。结果表明,数值模拟值得到的外特性与试验值吻合较好;叶顶泄漏流相对速度的弦向分量的最小值出现的位置与泄漏涡的初始位置重合,并且随着流量的减小向上游移动。叶片进口边负的弦向分量导致回流的形成,而法向分量的增大是导致小流量工况前缘溢流和大流量工况叶片尾缘二次泄漏流的根本原因。叶顶间隙内速度梯度较大的泄漏流会引发高熵产,并且与主流混掺形成泄漏涡,在泄漏涡周围同样引发高熵产,高熵产区面积随着流量的减小而增大。改进轨迹预测模型用叶顶间隙进口的平均速度代替了原先叶轮进口平均速度,扩展了预测范围,减小了预测结果的误差,说明改进模型能够很好地预测泄漏涡核的迁移轨迹。

半开叶轮离心泵叶顶间隙非定常流动特性研究

为研究半开式离心泵叶顶间隙区域的非定常流动特性,应用SST k-ω两方程模型,对半开式离心泵进行了全流道数值模拟,利用快速傅里叶变换(FFT)将各监测点的时域值转换为频域值,并分析了泄漏涡轨迹与叶片载荷的相关机理以及泄漏涡的频谱特性。结果表明:泄漏涡涡核与叶片骨线的夹角θ随着叶尖载荷的变化发生了周期性脉动;泄漏涡加剧了叶尖处的流动分离,在叶片前缘形成了连接叶片表面与泵壳的涡管;在流量为0.75 Q d 时,叶顶前缘间隙处扰动主信号为0.51 f B ,该频率与二次泄漏以及叶尖处涡管的非定常脉动特性相关;随着流量减小,扰动信号频率有所波动,叶尖泄漏涡破碎位置向叶片前缘移动。

叶轮时序对两级离心泵内部流动的影响研究

对离心泵而言,叶轮时序位置的改变对泵水力性能和压力脉动影响较大。本文对某两级离心泵首级和次级叶轮在七种不同时序位置下的内部流动进行了数值模拟,并对叶轮和蜗壳内部的流场和压力脉动特性进行了分析。结果表明:在设计流量下随着次级叶轮时序位置的变化,离心泵的扬程和效率分别上升了2.9%和2.4%;同时时序位置的改变影响了叶轮进口相对液流角和出口环量,改善了蜗壳隔舌处的流态,漩涡区域减小,从而降低了次级叶轮和蜗壳内部的流动损失;时序效应对次级叶轮和蜗壳压力脉动影响较大,各测点主频均无变化,但次级叶轮内测点压力脉动主频幅值降低了20.16%,蜗壳隔舌处降低了2.24%。综合比较分析不同时序位置下两级离心泵的性能,当次级叶轮旋转至首级叶轮流道中间时,离心泵的水力性能及压力脉动特性较好,研究结果可为两级离心泵设计提供参考。

颗粒体积浓度对半开式叶轮离心泵泄漏涡和磨损的影响

固液两相流条件下半开式叶轮离心泵中颗粒冲击、泄漏涡发展和颗粒轨迹之间存在紧密交互作用,导致过流部件的磨损行为复杂多变。该研究结合双向耦合欧拉-拉格朗日方法和颗粒磨损Finnie模型,对不同颗粒体积浓度下半开式叶轮离心泵固液两相流场进行求解,分析了颗粒体积浓度对泄漏涡结构特征、颗粒运移轨迹和磨损特性的影响,揭示了颗粒体积浓度、叶顶间隙泄漏涡和过流部件表面磨损规律的关联机制。结果表明:随着颗粒体积浓度的增加,颗粒的频繁撞击加剧了叶片压力面进水边和后盖板磨损程度,叶片吸力面出水边的磨损范围向进水边方向延伸;颗粒体积浓度小于1%时,颗粒的轴向运动和叶顶间隙泄漏涡的阻碍作用导致颗粒易与叶片前缘靠近叶根处和吸力面出水边靠近叶顶的区域发生撞击,诱发严重磨损,且呈现点状磨损;当颗粒体积浓度大于3%时,叶轮后盖板的整体磨损强度大于叶片,颗粒体积浓度的增加造成流入叶顶间隙层的颗粒数增加,颗粒对叶顶间隙泄漏涡的冲击导致涡流的破碎、分离、再融合,加剧不稳定流动,泵的扬程和效率均明显下降。该研究可为固液两相半开式叶轮离心泵优化设计和安全稳定运行提供理论参考。

周向槽对半开叶轮离心泵流动特性的影响研究

离心泵内的不稳定流动现象会产生压力脉动,为了改善半开叶轮小流量工况下的内部流场和压力脉动,通过在前盖板上布置周向槽,分析了周向槽对叶轮内部流动特性和压力脉动的影响。结果表明,周向槽为泄漏流提供了周向通道,泄漏流能够从槽内快速通过,降低了泄漏流的驱动力,使得主流与泄漏流的交界面向叶片尾缘移动;靠近叶顶间隙叶片进口相对液流角和低速区面积减小,轴向速度增大,泄漏流导致的不稳定流场和阻塞现象减弱,近失稳工况点对应的流量向小流量工况偏移;周向槽不仅改善了前缘溢流,使得叶轮内低频压力脉动幅值下降,而且消除了叶片前缘泄漏流形成的回流及其诱发的2.2 f_(n)特征频率。研究发现周向槽能够通过有效抑制不稳定流动及其诱发的压力脉动来改善离心泵小流量工况的运行稳定性。

叶轮时序位置对多级离心泵性能影响的数值研究

时序位置会对多级离心泵的性能产生影响,本文采用数值模拟方法分析了不同首级和次级叶轮时序位置下外特性的变化规律,以及时序位置变化对蜗壳和次级叶轮内部流场的影响机理。结果表明:时序位置改变主要影响次级叶轮和蜗壳的性能,使得次级叶轮内涡量下降,高涡量区面积减小,出口径向速度明显增大;并且能够抑制蜗壳隔舌位置出现的漩涡,蜗壳内低速区面积和湍动能明显下降,流动损失减少,扬程和效率上升,当次级叶轮叶片的周向位置位于首级叶轮流道中间时,最大上升幅度分别达到了2.9%和1.78%;此外时序位置不会改变径向力主频,但是能够降低径向力的幅值,最大下降幅度达到了9.7%。研究结果能够为多级离心泵优化设计提供理论支撑。

小流量工况双吸离心泵能量损失及受力特性分析

为了深入分析小流量工况下双吸式离心泵的能量特性和运行稳定性,本文采用数值模拟的方法研究了不同流量下泵内的熵产损失分布和叶轮受力特性,并通过试验验证证明了计算结果的准确性。研究结果表明:叶轮和蜗壳内的损失是泵损失的主要来源,叶轮损失占比在20%~43%之间,蜗壳的损失占比在54%~73%之间;叶轮内由于动静干涉引起的脉动损失占比更高,蜗壳内壁面损失占比更高。隔板在小流量下的适用性差,其存在不仅会诱发动静干扰带来额外的流动损失,而且会压缩相应流道增加不必要的壁面损失;叶轮所受径向力随流量增大呈先减小后增大的趋势,额定工况点附近受力最小。

基于弱可压缩的水泵水轮机S区压力脉动分析

高水头水泵水轮机S特性会导致其在水轮机工况并网困难,严重时会引起机组的振动,对电站的安全稳定运行产生不利影响。为了研究水泵水轮机S特性工作区域的压力脉动情况,本文以国内某抽水蓄能电站水泵水轮机为研究对象,对水泵水轮机内部流动进行了全流道定常和非定常数值模拟,并分析了其稳定工况、小转矩工况、小流量工况以及反水泵工况无叶区和尾水管内的压力脉动特性。结果表明:S特性区静压波动比较大;在活动导叶与转轮之间的无叶区,考虑可压缩性的主频均为叶片通过频率,而不考虑可压缩性时,小转矩工况的主频为2倍频;考虑可压缩性的幅值稍大,但无论是否考虑可压缩性,特征幅值都是随着单位流量的减小先增大后减小,同时该区域14fn和21fn等高频压力脉动的幅值较小;尾水管内压力脉动的主频为fn、3fn和4fn,稳定工况的幅值最小,弯肘段和出口段其他工况的幅值为稳定工况的十几倍,与回流涡结构有关。