叶片隆起对离心泵空化性能的影响

提出一种在叶片工作面布置隆起结构来提高离心泵抗空化性能的方法,基于RNG k-ε湍流模型和Kubota空化模型对离心泵非定常工况下的空化流动进行数值模拟,并对初始叶型和隆起叶型下的空化发展进行对比分析.结果表明:在未发生空化阶段,隆起叶型的泵扬程较初始光滑叶型有小幅度下降;在空化数减小至0.43时,隆起叶型的扬程大于原始叶型,其中隆起直径为2 mm的扬程最高;隆起结构延缓了空化的发生,表现出对空化现象的良好抑制效果;在空化发展阶段,叶片工作面的隆起结构增大了叶片工作面面积和表面粗糙度,改变了叶轮内部流道结构,在近壁面处形成了相对高压和高湍动能区域,增大了压力梯度,减小了叶轮进口低压区面积,有效抑制空化的发生和发展,减小空泡体积;在不同的空化发展阶段,隆起结构在工作面的不同位置未对空化发展产生明显影响.

导叶安装角度对离心泵叶轮结构特性的影响

为提高带导叶蜗壳式离心泵的运行稳定性,研究了不同导叶安装角度对离心泵性能及叶轮结构力学响应的影响.以某带导叶蜗壳泵为研究对象,首先对其进行流场数值模拟,再通过静态和瞬态结构分析模块将水压力载荷导入叶轮结构,以实现单向流固耦合分析,研究不同导叶安装角度下叶轮变形与等效应力变化规律,最后通过模态分析研究叶轮结构的振动特性.结果表明:随着导叶安装角度减小,泵的高效区向小流量工况偏移,并且最高效率逐渐增大,最大提高2.1%;单向流固耦合分析得到的稳态结果与瞬态结果规律一致,其中叶轮最大变形量和最大等效应力值都随流量的增大而减小,在设计工况附近,都随导叶安装角度的减小而减小,最大差值为3.3%,且最大等效应力值变化的幅值较小;预应力对叶轮干模态固有频率的影响可忽略不计,与干模态对比,湿模态下的固有频率有较显著下降.

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.

离心泵轴承疲劳寿命仿真分析及试验验证

针对工程中常出现的离心泵轴承实际寿命低于其设计寿命问题,以IS 100-80-160型离心泵为研究对象,对其进行数值仿真,将多个工况下的仿真结果与工程中校核泵轴承寿命的Steponff经验公式进行对比,发现Steponff公式计算出的径向力值偏小.为分析Steponff公式计算的轴承寿命校核误差,将径向力加载至轴承内圈进行有限元疲劳寿命仿真分析,并搭建离心泵径向力及轴承寿命试验台进行试验验证.结果表明:径向力计算误差以及工况变化将产生较大的轴承寿命偏差,该偏差在额定工况下最大,且随着径向力变大而逐步减小;与ISO寿命计算结果对比,数值仿真疲劳寿命安全系数更高;Steponff公式的计算值不够准确,将导致轴承实际寿命与其设计寿命相差极大;在大型低比转数离心泵轴承选用中,需考量Steponff公式的适用范围,同时可应用数值仿真校核其额定寿命.研究结果可为大型泵轴承寿命校核提供一定的依据.

基于POD/DMD降阶模型的离心泵蜗壳内非稳态流动分析

为深入研究离心泵蜗壳内非线性耦合流动的本质流动特征,本文以一单级单吸式离心泵蜗壳为研究对象,分别采用本征正交分解和动态模态分解2种降阶模型对蜗壳内非定常流场数据进行模态分析,获取流场主导流动结构,并对原流场进行重构。研究发现:蜗壳内流结构主要由速度正负交错,并且周期性特征与叶频及其倍频相关的成对涡旋组成。本征正交分解和动态模态分解方法均可以捕捉流场主要流动结构,并对原流场进行准确还原,两者重构流场与原流场的均方根误差均在0.4%以内。尽管本征正交分解方法在重构流场时整体均方根误差更小,但无法获取单频率流动结构,而动态模态分解方法可以获得不同频率流动结构对流场的贡献,从而捕捉到复杂流场中的不稳定模态。研究成果可以为增强离心泵全局流动的认知、关键水力部件优化设计及发展主/被动流动控制提供理论参考。

基于高维混合模型的离心泵叶轮子午面优化设计

为提高离心泵在设计工况下的运行效率和扬程,提出一种基于高维混合模型的离心泵叶轮优化设计方法.选取一台比转数为157的单级离心泵作为研究对象,通过CFturbo软件对优化变量进行参数化,然后结合数值模拟获得高维混合模型的训练集.在此基础上采用获取的训练集通过MATLAB机器学习得出效率、扬程与优化参数之间关于支持向量回归的高维模型,并采用遗传算法寻优.在设计工况下,所拟合的高维混合模型预测的效率和扬程值比原模型分别高1.5%和3.2 m,数值模拟验证优化方案的效率和扬程分别比原模型高0.9%和2.1 m.算例研究表明,将高维混合模型应用于离心泵叶轮的优化设计中可以实现快速寻优并提高离心泵水力性能.

基于声信号的离心泵故障诊断研究

各种原因使得工业现场设备状态监测的首选测量信号是声信号时,提出一种基于声信号的设备状态监测方法显得尤为必要。以某型离心泵为依据对象,对现场采集的声信号提取梅尔倒谱系数(MFCC)作为信号的初始特征,然后计算这些MFCC初始特征的散布熵(DE)值,并通过主成分分析法(PCA)对矩阵进行降维,从而构造特征矩阵。利用蝙蝠优化算法(BA)对支持向量机(SVM)的惩罚系数与核函数参数进行优化,对离心泵的多种故障工况开展诊断,并与多种诊断方法进行比较。实验结果表明,经过BA优化后的模型在诊断准确率上提高了21.7%;在该模型的基础上利用DE对MFCC提取的信号进行深度挖掘,使模型诊断的准确率提高2.05%。

酶标仪法测定离心泵泵头表面肝素涂层生物活性的研究

目的 建立酶标仪法测定离心泵泵头表面肝素的生物活性。方法 由抗凝血酶(AT)饱和的肝素化表面失活的凝血酶量来量化肝素生物活性:肝素表面与过量的血浆蛋白AT结合,形成AT饱和的肝素化表面(过量的AT通过清洗程序去除),上述肝素化表面又与过量凝血酶Ⅱa结合,残留的凝血酶Ⅱa与显色底物反应,凝血酶肽键H-D-Phe-Pip-Arg-pNa被裂解,释放出生色团,其可以在405 nm下进行测试并定量。结果 应用酶标仪上波长405 nm时的动力学吸光度评估生物活性,生物活性测定表明:对照品(无涂层的离心泵泵头)的结果为-0.01 IU/cm^(2)(≤0.05 IU/cm^(2)),所有3种供试品的结果为0.29 IU/cm^(2)、0.40 IU/cm^(2)和0.32 IU/cm^(2)(均≥0.1 IU/cm^(2)),符合生物活性试验的有效性标准,对照品和供试品的生物活性均被视为通过。结论 通过酶标仪定量测试凝血酶肽键裂解释放生色团的含量,可得到与肝素涂层反应的Ⅱa的量,进一步反推AT的量,最终计算出肝素涂层的生物活性。该方法操作简便,一次可以测定多份样本,检测速度快;具有需要的样本量少、重复性好的特点,适用于对离心泵泵头表面肝素涂层的生物活性定量检测。

空化诱导的离心泵叶轮区流动特性与压力脉动分析

空化是一种复杂的多相流现象,空化发展中液体和蒸汽之间瞬态相变的产生,导致多尺度旋涡运动。瞬态空化动力学与空化涡结构的演化密切相关。采用对比结合Q准则、Omega判别法两种涡识别方法,探究设计流量Qd为0.321 m3/s下不同空化程度时离心泵叶轮区的空泡、涡旋特性及其对压力脉动的影响。基于Schnerr-Sauer空化模型对立式单级单吸蜗壳式离心泵在空化初始阶段、空化发展阶段、空化状态转变阶段、空化恶化阶段4个不同空化程度时的全流道流场进行数值模拟分析。结果表明,空化情况下叶轮区域流动复杂,空泡形态与旋涡的生成变化相互影响,二者共同影响叶轮域内压力脉动的变化。Omega方法能够精准捕捉到叶轮进口的回流涡、叶轮流道内通道涡和叶轮尾缘处的尾迹涡;空化初期,受通道内大面积通道涡及蜗壳隔舌动静干涉的影响,出现各叶片上空泡大小不同的情况;空化严重时受空泡脱落影响出现气液混合的高速涡团,导致低频压力脉动信号增加,空泡移动至高压区溃灭释放的能量导致出口压力脉动显著升高。

高速离心泵启动过程的仿真与优化

为研究离心泵启动过程中泵内的流场和外特性变化,首先使用CFD软件提供的二次开发接口,通过编写cel函数来精准加载流量和转速变化规律,从而模拟启动整个变化过程。数值模拟结果表明:在启动初期扬程和效率均会出现脉冲现象,针对此脉冲现象进行改善,对离心泵的结构参数进行改变,如叶片包角、出口宽度等,并且将不同结构参数的仿真结果构建成神经网络,使用遗传算法找出最优解,以实现泵初期扬程、效率脉冲的减小。发现扬程脉冲减小3.21 m,效率脉冲降低2.87%。

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。

离心泵叶片斜开槽抑制空化的研究

为了抑制低比转数离心泵的空化,提出改变叶片开槽轴向角度的方法,并设计了3种叶片斜开槽方案。通过数值模拟的方法,对比离心泵试验结果,分析叶片斜开槽对离心泵空化抑制的效果。模拟结果表明:轴向角度为5°的叶片斜开槽对低比转速离心泵的空化抑制效果最明显,断裂扬程提高了0.281 m;叶片斜开槽抑制了离心泵叶轮流场内空泡的发展,在空化严重阶段空泡体积最多减小了67.25%;叶片斜开槽优化了叶轮流场结构,缩小了叶轮进口低压区,降低了叶轮流道内的湍动能。

离心泵叶轮硬涂层减振效果研究

为了在不改变泵水力部件结构方案和基本水力性能的前提下抑制泵的振动,分析了NiCrAlY硬涂层材料对离心泵叶轮振动特性的影响。针对无涂层叶轮、上盖板涂层、下盖板涂层、叶片涂层的4种叶轮模型,采用有限元分析方法计算得到叶轮的固有特性,并进行叶轮的谐响应分析和瞬态响应分析。最后通过涂覆硬涂层前、后的叶轮模态测试以及响应测试,对叶轮涂覆硬涂层的减振效果进行试验验证。研究发现,相对于上盖板和下盖板涂层,叶片表面涂覆硬涂层对叶轮固有特性及振动响应有更大影响,叶片涂覆硬涂层后,叶轮模态阻尼比增加4.76%,减振效果达到22%以上。研究结果可为离心泵的减振降噪提供参考。

基于曲率控制前缘的离心泵压力脉动及水力性能分析

蜗壳式离心泵作为流体输送的核心设备,压力脉动及水利性能对泵的稳定性、噪声、寿命等有重大影响。结合曲率控制前缘的设计方法,按增长率1.19%、0.47%、0.32%设计,建立前缘轴长比为0.96、2.11、3.11、4.11的蜗壳式离心泵,以SSTκ-ω模型定常计算结果为初始条件,进行κ-εRNG模型非定常分析,通过频域图分析蜗壳式离心泵压力脉动,并通过矢量云图分析水力性能。结果表明:设计的模型最佳流量为35 m 3/h,设计效率与模拟效率误差仅为2%;前缘轴长比不同,流道内压力扩散有差异;前缘轴长比为3.11时出口压力脉动偏低,低频区更易产生压力脉动;前缘轴长比为0.96时,压力脉动范围偏小,适用于一定流量范围内扬程变化较大的工况。

启停离心泵先关出口阀的必要性分析

在油气储运行业中,离心泵是一种常用的增压设备,其操作规程有严格规定,对操作原理的充分理解将有利于实际工作中设备的安全运行。分析离心泵启动和停运时的水力特性和电路原理,说明操作规程中关闭出口阀的步骤对于延长离心泵设备和管道系统寿命、确保操作人员安全具有重要意义,利于员工对于操作步骤的理解与掌握,使其在工作中更加安全规范操作,以确保离心泵设备和管道系统的安全运行。

阀板尾迹对离心泵性能的影响

离心泵进水管路通常布置阀门供检修时切断水流,这会导致离心泵入流畸变。该研究旨在分析泵前检修阀所诱发的非定常尾迹特征及其对大流量工况离心泵运行特性的影响机理。试验对比了均匀来流和畸变来流条件下离心泵的外特性,数值模拟研究了阀板尾迹涡的流动特征及其对离心泵非稳态内流场的影响,分析了阀板尾迹涡诱发的叶轮径向力。结果表明:两种来流条件下数值模拟与试验得到的离心泵外特性误差在5%以内;对离心泵性能产生主要影响的尾迹涡主要来自阀门阀板一侧的边界层分离与卷吸,入流畸变导致大流量工况下离心泵效率相较于均匀入流下降9.15%,扬程降低1.2 m;阀板尾迹在离心泵入口产生1.9倍转频的脉动频率;尾迹涡的周期性入流导致两个叶片前缘的最大相对液流角由30°分别增大至43°和39°,这两个叶片的压力面脱流加剧,产生逐渐向下游耗散的失速团,叶片承受2倍转频的非稳态激振力;尾迹涡的周期性吸入导致叶轮上的时均径向力增大至均匀入流的4.5倍左右,最大径向力达到均匀入流的7倍左右,径向力矢量发生偏移,离心泵断轴风险加剧。研究结果可为工业现场中离心泵运行稳定性的改善提供理论依据。

多级串并联离心泵运行特性研究

为了研究泵系统串并联的工作特性,设计了一种由3台泵组成的双进口、双出口的串并联组合形式,通过试验和数值模拟结合的手段对每台泵能量特性进行分析。结果表明,通过对工作模式3不同流量下各泵的流量进行监测,发现并联的一级泵之间流量分布规律并不相同,最大流量差为0.15 Q_(d),两者之间流量差值随流量的不断增大呈现先增大后减小的规律;出口1的扬程与M2的扬程较为接近,最大差值为0.188 H_(d),与M1的扬程差值较大,最大差值为1.139 H_(d);出口2的扬程基本不随工况发生变化,但是受上游2台并联一级泵的混合流态影响会产生波动。研究结果可为离心泵复杂串并联系统的设计和改进提供参考。

叶片数对离心泵内部能量流动损失的影响

针对不合适的离心泵叶片数会降低其输送流体效率,导致离心泵性能难以提升的问题,研究了叶片数对于离心泵内流动能量损失的影响。首先,采用UG建立了叶片数为4、5、6的离心泵流体域模型,并对各叶片数的离心泵流体域进行了六面体结构化网格划分;然后,采用ANSYS Fluent进行了数值模拟,研究了各叶片数的离心泵在0.6~1.4倍额定流量下的扬程、效率以及轴功率;采用熵产理论研究了不同叶片数在各流量下直接熵产(EGDD)、湍流熵产(EGTD)和壁面熵产(EGWS)的值与占比;最后,研究了进口域、出口域、叶轮域以及蜗壳域的熵产值(EGV)情况,还研究了熵产率(EGR)的空间位置分布。研究结果表明:叶片数越多,泵的扬程、效率与轴功率越大;额定流量下熵产值最低;叶轮域熵产值占最大比例,蜗壳域次之;黏性尾流区域熵产率较大,叶片压力面尾缘处的壁面熵产率最高。

SVM方法在某多级离心泵故障诊断中的应用

针对实际工程中多级离心泵故障样本难获取的现象,通过多级离心泵故障模拟试验台模拟实际产品的碰摩、不对中、不平衡三种典型故障,基于支持向量机(Support Vector Machine,SVM)建立故障诊断模型的方法实现故障的分类。采用集合经验模态分解(Ensemble Empirical Mode Decomposition,EEMD)算法提取振动信号的时频域特征,结合时、频域和信息熵特征构造高维特征样本后,以主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)优化输入样本质量,实现对故障的高效分类。另外,对比分析SVM和反向传播(Back Propagation,BP)神经网络的分类效果,表明SVM模型分类的效果更好,在多级离心泵的故障诊断中具有良好的适用性。

一种自吸离心泵装置系统研制

针对一些特殊自吸工况,其安装环境、使用条件、输送介质特性等不能够采用真空泵,又不能直接采用离心泵的情况,研制了一种特殊配置的自吸离心泵装置系统,来满足现场自吸应急给水工况的使用要求。自吸离心泵系统由离心泵、驱动电机、主水箱、辅助水箱、阀门、管道、流量计和压力传感器等组成。同时,针对现场运行时出现的超低水池水位,研制了一种特殊结构的防旋涡装置来满足自吸离心泵装置系统的进水要求。通过主水箱和辅助水箱之间的阀门,辅助水箱上部的进水和排气阀门,排除装置系统运行过程中内部的空气,确保离心泵运行时水箱具备有安全水位。通过水池吸入口防漩涡试验、自吸高度和运转试验,验证了整个装置系统能够安全可靠运行。