低比速离心式消防泵优化研究

为研究叶轮几何参数对低比速离心式消防泵轴功率的影响,利用设计软件CFturbo,采用堵塞叶轮部分流道和降低叶轮出口直径相结合的设计方法,对某型低比速离心式消防泵进行了优化,并进行了试验验证。结果表明:堵塞叶轮部分流道时,叶片加厚适合采用从骨线向两边加厚的方式;采用堵塞叶轮部分流道和降低叶轮出口直径相结合的方法,可以在保证低比速离心式消防泵性能的前提下,有效降低最大轴功率,在全流量范围内实现无过载。研究结果可为低比速离心式消防泵的无过载优化提供参考。

导叶式混流泵旋转失速的研究进展

针对混流泵等旋转流体机械内部流动中普遍存在的旋转失速不稳定现象,从导叶式混流泵外部性能曲线、内部流动结构和压力脉动的时频特性分析了旋转失速的表现形式、失速先兆、失速的形成及传播机制,探讨了影响混流泵旋转失速形成、发展的关键因素.混流泵发生旋转失速的典型表现是外特性曲线出现不同形式的正斜率(马鞍形),内部流场出现周期性传播的旋涡结构,旋涡造成了流道的堵塞,由此导致不稳定的压力波动;轮缘泄漏涡形态结构和运动轨迹分析为混流泵失速先兆研究提供了新的思路.流量工况是导致混流泵旋转失速现象发生的最直接因素,随着流量减小,会对失速团的数量产生明显的影响.叶片数、叶轮转速和轮缘间隙也是影响失速团数量、传播速度和发展过程的重要因素.基于近年来国内外的研究现状,提出了未来混流泵旋转失速需要进一步深入研究的内容和方向.

混流泵启动过程压力脉动特性试验

为研究混流泵启动瞬态过程规律,建立了混流泵启动过程瞬态外特性和压力脉动测量系统,探究不同启动时间和不同流量下瞬态压力脉动的时频特性。通过变频器设置启动时间,分别采用LWGY-250型涡轮流量计和MPM480型压力传感器进行瞬态流量和瞬态压力测量,并基于小波变换对启动过程的非平稳压力脉动信号进行分析。研究结果表明,在启动过程中,随着泵转速增加,流量和扬程曲线均可近似分为缓慢上升、快速上升而后缓慢趋于稳定3个阶段,且每个阶段完成时间均与启动时间长短呈正相关。启动结束时刻,由角加速度与低工况运行共同引起的压力冲击现象与流量大小和启动时间有关。流量一定时,启动时间越短,压力冲击越显著;启动时间一定时,流量越大,进口压力冲击越小甚至消失,而叶轮中部与出口的压力冲击愈加明显;1 s启动且稳定工况为1.2倍设计流量时,叶轮中部与出口的最大冲击压力值分别可达37和28 kPa。对于快速启动,流量对启动过程瞬态压力变化无影响,在启动结束后流量对压力变化影响开始显现,当压力趋于平稳时,2种不同流量下叶轮中部的压力差约为30 kPa;对于慢速启动,流量对启动特性的影响在启动过程便有明显体现,在启动结束时刻,叶轮中部和出口的压力峰值均下降15 kPa。启动过程中,叶轮主频为叶频及其倍频,其变化趋势与转速变化一致。快速启动条件下,在启动结束时刻主频压力幅值存在由压力冲击造成的极大值。研究成果可为揭示瞬态运行特性及优化、设计瞬态工作水泵提供参考。

混流泵启动过程进口流动特性的数值模拟

通过建立包括叶轮、导叶、蜗壳、阀门、稳压罐及管路在内的全三维闭合回路模型对混流泵启动过程进行数值模拟,分析了启动过程进口回流的形态及形成原因,研究了回流的轴向长度、轴向速度和圆周速度的分布以及轴向截面回流量、回流面积的变化。研究结果表明,数值模拟与试验结果基本一致,数值计算方法较为可靠。叶片吸力面的流动分离和叶顶间隙泄漏是造成进口回流的主要因素。启动过程中的回流参数均随时间呈现先增大后减小的趋势,主流与回流轴向速度在启动初期呈现对称分布,0.8 s后的回流轴向速度出现非对称分布且离叶轮进口越远非对称分布越明显;受回流排挤,主流轴向速度分布在不同截面呈现不同变化趋势,圆周速度逐渐呈非对称分布,进口管圆截面处平面速度方向逐渐偏离圆周切向,各轴向截面处回流量、回流面积的变化趋势基本一致,每个截面相继出现一个回流面积极大值。

混流泵启动过程瞬态特性的数值计算

为研究混流泵启动过程的瞬态特性,以试验测试转速与流量作为求解边界条件,建立了混流泵瞬态流动求解模型与方法.通过准稳态、瞬态数值方法求解的计算扬程与试验扬程的对比,验证了数值方法的可靠性,进而分析了混流泵启动过程中瞬态流场的演化以及启动加速度对内部流场的影响规律.研究结果表明:所采用的数值计算方法可较准确地反映启动过程的瞬态特性,瞬态扬程呈现明显瞬态效应;准稳态方法存在较大误差,基于相似定律的准稳态方法在瞬态性能研究中并不适用;受角加速度效应与流体惯性的影响,加速过程中叶片工作面的进口压力梯度比较明显,轮缘间隙处和叶片出口边尾缘处产生明显旋涡,并由此带来不同于准稳态工况的瞬态外特性;启动加速度对冲击扬程的影响较大,加速度大小决定着冲击扬程的峰值,流量滞后性也呈现明显区别.

不同轮缘间隙下混流泵旋转失速特性

为了研究不同轮缘间隙下混流泵的旋转失速特性,基于k-ε湍流模型,SIMPLEC算法和六面体结构化网格,对混流泵内部流场进行数值模拟,轮缘间隙分别为0.2,0.5和0.8 mm,对比3种不同轮缘间隙下混流泵的外特性、失速工况下的内部流场及混流泵内各个监测点处的压力脉动变化。研究结果表明:当轮缘间隙为0.5 mm时,数值模拟与试验结果较为吻合,模拟结果可靠。在3种不同间隙下,外特性曲线的近失速工况点和深度失速工况点都一致,且当轮缘间隙为0.8 mm时,混流泵的流量?扬程曲线的正斜率特性最明显。随着轮缘间隙的增大,从近失速工况到深度失速工况,叶轮出口的旋涡数都有所增加,且当间隙为0.2 mm时,旋涡数增加最多。同时,轮缘泄漏涡的形态轨迹也发生较大的变化,当间隙为0.8 mm时,泄漏涡尺度得到大幅度的增强。在近失速工况时,在同一间隙下,压力脉动在不同流道中呈现相似的周期性变化,只是相邻监测点之间呈现出较大的相位差,符合失速团的传播规律。随着间隙增大,由于失速团数量的增加,压力脉动曲线呈现出不同的传播变化规律。

驼峰区内混流式喷水推进泵失速状态判别研究

为了对混流式喷水推进泵的驼峰区内失速状态进行判别,捕捉失速涡的位置、形态、尺度,基于RNG k-ε湍流模型对混流泵多工况下的内部流场进行数值计算。研究结果表明:伴随着旋转失速在叶轮流道内产生,混流式喷水推进泵扬程、效率皆呈现大幅度下降,能量损失严重;在叶轮进流面流动分离、出流面回流、旋转失速的综合作用下,混流式喷水推进泵在0.3Qdes^0.8Qdes的扬程曲线都呈现驼峰区特性;依据过流参数、内流特性、压力分布等评判指标对驼峰区各工况流动特性进行判别,明确了各工况下所对应的失速状态;通过捕捉初始失速工况下的失速涡,发现其紧附在叶片后缘吸力面侧,横跨整个叶轮流道,并有向下游叶片前缘延展趋势;失速状态下的来流在受到失速涡的卷吸效应及堵塞作用下,流动路径呈现多次偏折,部分来流在失速涡堵塞效应及泄漏流冲击的共同作用下,最终流向下游流道。

失速工况下混流泵轮缘泄漏流的流动特性

泄漏流干扰主流运动,也与旋转失速现象存在密切关系。本文基于SST k−ω湍流模型研究了近失速工况下轮缘泄漏流的结构形态,探究了泄漏流诱发能量损失机理以及对下游流场的影响规律。研究结果表明,失速工况下,混流泵轮缘泄漏涡轨迹出现突变,部分泄漏流到达下一级叶片的前缘并溢出,泄漏流形态轨迹可以作为失速是否发生的判断依据。高速射流产生的黏性剪切应力是泄漏涡形成中高损失区域产生的主要原因,而失速工况下的回流和失速涡进一步加剧了损失。失速工况下泄漏流导致了下级叶片进口产生了高损失区,表观上也影响了端壁区流体进入导叶的入流角度。