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。

导叶叶片数对LNG四级潜液泵轴向力及首级叶轮流场的影响研究

应用CFD技术研究了导叶叶片数对LNG潜液泵首级叶轮压力和轴向力分布的影响,对一、三级导叶同时设计7、8、9三种叶片数,采用K-epsilon湍流模型进行了多工况数值模拟,并采用液氮工质进行了相关外特性试验验证,得到LNG泵内部首级叶轮压力分布以及轴向力特性。结果表明:潜液泵所受总轴向力在导叶数为8时最小,泵的整体效率最优。作用在首级叶轮上后盖板的轴向力大于前盖板。其中,导叶数为8时首级叶轮前后盖板轴向力最小,压力分布最均匀;而导叶数为9时,与叶轮叶片数9相同,运转时会有共同的倍频出现,在相同的倍频上振动累加,并诱发共振,导致前后盖板的轴向受力最大,叶轮前盖板所受轴向力相对于其他方案平均增加了3.45%;后盖板轴向受力绝对值平均增加1.88%。综上,导叶数为8时潜液泵的水力效率最优。

进口导叶对斜流式叶轮级性能调节的数值研究

针对两种不同翼型的进口导叶,数值研究了导叶在不同开度下对超大流量系数斜流级内部气体流动的影响和调节特性,并预测了进口导叶与斜流叶轮耦合在不同导叶开度下的性能曲线。结果表明,进口导叶能有效扩大调节范围,使斜流压缩机能在更宽的工况范围内运行。导叶开度和翼型对斜流叶轮的气动性能产生影响,开度增大导致气体流动的不均匀性变大,而当开度增大到一定程度时,进口导叶的调节能力变差,对斜流叶轮气动性能产生负面影响。

叶轮与导叶时序位置对井用潜水泵性能影响

为探究叶轮与空间导叶时序位置匹配关系对井用潜水泵性能的影响,以200QJ20型井用多级潜水泵为研究对象,将次级叶轮和次级空间导叶分别旋转自身相邻两叶片夹角1/2的时序位置,组合四种不同时序方案。利用CFD方法对各组模型内部流场进行定常与非定常仿真模拟。结果表明:当时序位置不同时,最大扬程与最小扬程相差0.5 m,最大效率与最小效率相差0.5%;当次级叶轮旋转1/2叶轮叶片夹角,次级空间导叶不变化时,扬程和效率最大,贴近导叶工作面的高压区最大,此时叶轮流道区域流线更加平顺;当次级叶轮旋转1/2叶轮叶片夹角,次级空间导叶旋转1/2空间导叶叶片夹角时,扬程和效率最小,贴近导叶工作面的高压区最小,此时导叶背面存在二次涡流区域,叶轮进出口以及导叶进口的压力脉动幅值明显减小,而导叶出口处的压力脉动幅值明显增大。

颗粒直径对混流泵叶轮及空间导叶磨损特性的影响

为探究颗粒直径对混流泵叶轮及空间导叶磨损特性的影响,基于颗粒轨道模型,采用RNG k-ε湍流模型和Tabakoff磨损模型,对混流泵进行固液两相流磨损数值计算.对比分析了叶轮和空间导叶区域不同颗粒直径条件下的颗粒轨迹、颗粒对壁面切应力、磨损云图及平均磨损率分布情况.结果表明:叶片进口及叶片与后盖板连接处、导叶与外壁连接处及工作面头部、背面出口区域是最容易发生磨损的位置.随着颗粒直径的增大,叶轮和空间导叶内颗粒的运行轨迹更加紧凑,叶轮区域颗粒轨迹由叶片背面逐渐靠近叶片工作面;空间导叶区域颗粒在导叶中前段主要沿着工作面运行,在导叶后段主要沿着背面运行.同时,颗粒直径越大,其对壁面的切应力越大,叶片和导叶的磨损面积越大、平均磨损率越高,并且叶片和导叶的增幅最大,说明叶片和导叶是最容易受到磨损破坏的部位,对比3种颗粒造成的平均磨损率发现,直径3 mm颗粒造成的平均磨损率比0.1 mm颗粒的大2—3个量级.

Influence of axial distance on pre-whirl regulation by the inlet guide vanes for a centrifugal pump

The valuation of the hydraulic performance of a centrifugal pump with pre-whirl regulation of the inlet guide vanes was studied experimentally by varying the pre-whirl angle from -60° to 60° with distances between the inlet guide vanes and the impeller inlet of 280 mm, 380 mm and 460 mm. The efficiency-flow curves and the characteristic curves were obtained for the pump for various operation conditions. The experiment results demonstrated that the pre-whirl regulation widened the high efficiency zone and improved the hydraulic performance for off-design conditions with the proper pre-whirl angle. The axial distance between the inlet guide vanes and the impeller inlet influenced the pre-whirl regulation effect of the inlet guide vanes with the best pre-whirl regulation effect obtained for an axial distance of 380 mm. These results showed that an appropriate axial distance between the inlet guide vanes and the impeller inlet can improve the fluid flow at the impeller entrance with pre-whirl regulation for centrifugal pumps.

核主泵叶轮与导叶叶片数匹配规律的数值优化

为了阐明核主泵叶轮和导叶叶片数匹配特性对水力性能的影响。以缩比系数为0.5的模型泵为研究对象,基于核主泵几何参数,建立叶轮叶片数Z1和导叶叶片数Z2的多种匹配方案,通过数值方法预测多种匹配方案下核主泵设计工况下的水力性能。结果分析表明:只改变叶轮叶片数时,随着叶轮叶片数的增加,叶轮与泵扬程的增加趋势逐渐变缓;只改变导叶叶片数时,导叶叶片数的选取对核主泵效率影响的最大差值为8.48%。导叶和压水室内漩涡区和水力损失主要集中在以泵出口为起点沿叶轮旋转方向的半球形区域,且环形压水室的水力损失在总损失中所占比重最小为36.4%,表明环形压水室是核主泵水力损失最大的过流部件。根据多种叶片数匹配方案的结果分析,表明设计工况下核主泵叶轮与导叶叶片数的最佳匹配值为(Z_1=4,Z_2=9)、(Z_1=5,Z_2=12)、(Z_1=6,Z_2=11)和(Z_1=3,Z_2=7),即导叶叶片数在叶轮叶片数的2倍附近且两者互质时,泵的水力性能达到最佳值。研究结果为核主泵叶轮和导叶叶片数的选取提供了理论依据。

多级离心泵内部非定常压力分布特性

为研究多级离心泵运行过程中的振动特性,以一台两级离心泵为例,建立整泵的流道模型,基于计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)软件ANSYS CFX,选取标准k-ε模型,进行全流场三维非定常数值计算,获取额定工况下叶轮出口处和径向导叶内不同位置处的压力脉动特性、作用在叶轮上的扭矩特性以及作用在叶轮上的径向力特性,并对其进行频域分析。结果表明:各监测点的压力均呈现出以叶片通过频率为主频的周期性压力波动;作用在叶轮上的径向力呈现脉动状态,其矢量分布图基本呈圆形分布,作用在叶轮上的扭矩呈现出以叶片通过正导叶频率为主频的周期性波动;叶片和导叶间动静干涉是影响压力和扭矩波动的主要因素。该研究结果为改善泵体结构设计,提高多级泵的使用稳定性提供依据。

导叶叶片数对多级离心泵压力脉动的影响

为了研究叶轮叶片数与导叶叶片数有无最大公约数对多级离心泵内部压力脉动的影响,在保证设计点外特性基本不变的前提下设计了4种不同叶片数的导叶,基于标准k-ε方程,应用CFX软件对M120多级离心泵的设计点工况进行定常和非定常计算,得到次级泵体叶轮和导叶内各监测点的压力脉动时域图和频域图.结果表明:数值模拟结果与外特性试验结果相吻合,证实了数值模拟的可行性.叶轮与导叶叶片数存在最大公约数的匹配方式对多级离心泵内部静压分布有影响,主要表现为正导叶进口边周向压力分布呈现周期性分布规律.导叶内部压力脉动主要受叶轮叶片数的影响,叶频在流动诱导振动中起主导作用.导叶叶片数对多级离心泵内部压力脉动影响较大,导叶内部压力脉动幅值随导叶叶片数的增加而增大.

新型井泵水力设计及内部流动的数值模拟

在改进QJ型深井离心泵结构的基础上,研究提出了一种SJB型新结构深井离心泵及其特殊的水力设计方法,即叶轮的极大扬程设计法和扭曲反导叶法.将叶轮外径延伸至泵筒内壁,采用斜切叶轮出口.导叶进口边扭曲,其余部分为圆柱叶片.运用CFD软件Fluent 6.0对模型100SJB8进行数值模拟研究,分析流场并预报其水力性能,经试制100SJB8样机并比较试验结果,表明模拟能较好地预测水力性能,为设计提供指导.

含导叶的液力透平内部压力脉动特性

为了降低液力透平内部的压力脉动幅值,选择一单级离心泵反转作液力透平,首先在液力透平叶轮外径处设置一组负曲率导叶,采用试验测量的方法研究添加导叶后液力透平的外特性,之后利用Pro/E软件建立含导叶的液力透平的几何模型,采用SST k-ω湍流模型并利用CFD计算该模型在叶轮进口前有无导叶2种情况下液力透平各过流部件内的压力和压力脉动变化情况,并通过快速傅里叶变换将压力脉动的计算结果进行处理,分析各过流部件内的时域和频域分布.研究发现:在液力透平叶轮进口前添加导叶后,蜗壳内的压力脉动主频幅值以及最大脉动幅值均减小,且添加导叶后叶轮内的压力脉动幅值也降低;同时添加导叶后尾水管内液流流动稳定,且尾水管内无涡流产生,使尾水管内的主频幅值大幅度减小.因此在液力透平叶轮外径处设置导叶不但能改善液力透平的性能,还能有效地降低各过流部件内的压力脉动幅值.

叶轮与导叶体之间的距离对混流泵水阻系数及效率的影响

以某混流泵为对象,基于FLUENT软件,建立相对坐标系下的时均连续方程及N-S方程,并采用RNG k-ε模型、非结构四面体网格和SIMPLEC算法对该混流泵内部三维流动进行数值模拟。在分析网格无关性的基础上,并在叶轮与导叶体之间不同距离的情况下分别模拟了其在静态时的水阻系数和在动态时的性能参数,结果表明:在特殊环境下,当混流泵的叶轮与导叶体之间的距离为0.45 b2时水阻系数最低、效率最高,可达到静态低阻、动态高效的性能要求。

核主泵水力性能数值预测的缩比效应研究

为提高核主泵的整体水力性能,实现与屏蔽电机的最优匹配,基于缩比模型换算法,选取RNGk-ε湍流模型和SIMPLEC算法,对核主泵进行非定常数值预测及外特性试验。结果表明:在0.4Qd^0.7Qd流量工况下,扬程-流量曲线较为平坦;额定工况下,扬程预测值较额定值高5%,叶轮扬程最大值在0.4Qd工况点,水力效率最大值在0.9Qd工况点,叶轮水力效率模拟值较试验值高5%;小流量工况下,导叶水力损失呈以0.4Qd工况点为中轴线的正态分布,水力损失最大值在0.4Qd工况点;大流量工况下,导叶水力损失最小值在1.1Qd工况点。压水室水力损失符合正弦波分布规律,波峰在0.4Qd工况点附近,波谷在0.9Qd工况点附近。

CAP1400核主泵导叶和叶轮匹配数研究

为研究导叶和叶轮之间匹配对核主泵性能的影响及作用在叶轮上的径向力分布情况,采用CFD技术对不同方案下的核主泵进行非定常数值模拟,并进行试验验证。研究结果表明:核主泵扬程和效率的计算曲线与试验曲线基本吻合,效率相对误差在2.5%左右,扬程相对误差在4%左右;叶轮叶片数和导叶叶片数对核主泵性能影响较大,对其进行合理匹配能有效地提高泵性能;叶轮和导叶的不同匹配使叶轮径向力分布规律具有很大差别,作用在叶轮上的径向力呈周期波动,脉动频率以叶轮通过导叶频率为主;小流量工况下,随着流量的减小,叶轮的径向力及其脉动幅值增大,而变化速率减小;大流量工况下,随着流量的增加,叶轮的径向力及其脉动幅值增大。

多级离心泵内部固液两相流动及磨损特性

为深入了解多级离心泵叶轮和导叶内部固液两相流动状态,基于ANSYS CFX软件,结合双流体模型,计算了额定工况下,固相体积分数分别为0%和20%、固液两相密度比为1.468时,两级离心泵内部三维非稳态固液两相流动.结果表明:固相的加入会降低多级泵的出口压力,固相的存在对于液相流场具有一定影响;流场中固体颗粒的分布与其所在流场区域有相应关系,在叶轮中,叶片进口处压力面与吸力面均有较高固相体积分数,叶片出口处吸力面固相体积分数高于压力面;在导叶中,正导叶进出口固相体积分数较高,正导叶正面固相的运动速度和体积分数均明显高于背面;叶轮进出口和导叶进口局部磨损较为明显.研究固体颗粒的运动规律对于固液两相流泵的设计具有一定参考价值.

导叶预旋角对叶轮/扩压器相干的影响

在不同进口导叶预旋角度下,采用非定常的方法对进口导叶/叶轮/扩压器3部件之间非定常相干进行了数值模拟,并与实验结果作比较。研究了进口导叶预旋角度对叶轮及扩压器内部流动及非定常性的影响,同时探讨了3部件之间动静相干的机理。结果表明,计算结果同实验结果吻合很好。在同等流量下,进口导叶的尾流和大尺寸涡团的非定常作用使得叶轮和扩压器上的非定常性减小,其变化弧度仅在原来的1/4左右。进口导叶为负预旋时,由进口导叶尾流所带来的非定常影响比进口导叶正预旋角度下小的多,但叶轮尾流及扩压器的势反冲效应所引起的非定常效应却较正预旋角度下有所增大。

不同前导叶时序位置下离心泵内压力脉动特性研究

【目的】寻找前置导叶的最佳时序位置,提高离心泵的综合性能。【方法】以某低比转速单级离心泵为研究对象,采用RNGk-ε湍流模型,对设计工况下前置导叶相对径向导叶在4种不同时序(前置导叶相对周向旋转0°、15°、30°、45°)位置下离心泵内部流动进行了三维黏性非定常数值模拟。【结果】随着前置导叶时序位置的增大,时均扬程和时均效率均呈周期性波动,当时均扬程处于波峰时,时均效率处于波谷,当时均效率处于波峰时,时均扬程处于波谷,最大时均扬程比最小时均扬程高1%,最大时均效率比最小时均效率高1.43%;随着前置导叶时序位置的改变,离心泵的必需汽蚀余量先增大后减小,最大必需汽蚀余量比最小必需汽蚀余量高6%,前置导叶相对周向旋转45°时,必需汽蚀余量最小,空化性能最好;叶轮和径向导叶压力脉动的主频和幅值直接受时序效应的影响。【结论】前置导叶的时序位置对离心泵的外特性、空化特性、振动特性等都有影响,综合比较分析4种时序位置下离心泵的性能差异,以前置导叶相对周向旋转45°时离心泵的水力性能最好。

导叶轴向安放位置对核主泵性能的影响

基于Reynolds时均化N-S方程和RNG k-ε湍流模型,采用SIMPLE算法和多重坐标系法,对3种不同导叶轴向安放位置核主泵缩比模型的内部流动进行了全三维定常数值计算.通过对比分析外特性、压力场和速度场,研究了导叶轴向安放位置对模型泵叶轮、导叶和泵壳内部能量转换特性的影响.结果表明,减小导叶与泵出水管轴线在叶轮旋转轴线方向的距离,小流量工况下,泵的效率增加,其中叶轮效率增加,泵壳内的流动状态有所改善,回流现象有所抑制,从而减小了泵壳损失,但同时导叶损失也有所增加;设计及大流量工况下,泵的效率减小,其中叶轮效率有所降低,同时导叶和泵壳损失也相应增加.由于核主泵叶轮、导叶和泵壳的参数相互关联和影响,改变导叶轴向安放位置会影响各单元间耦合匹配特性,进而影响叶轮、导叶和泵壳内流动状态及能量转换效率.

多级副叶轮密封的性能分析与应用

为了分析低功耗的副叶轮密封结构并将其应用在立式自吸泵上,采用CFD数值模拟方法对副叶轮功耗和封压能力的主要影响因素进行了分析.建立了基于叶片形式、叶片数量、阻旋片、径向间距以及平衡出口位置的多种数值模型,采用RNG k-ε湍流模式行定常数值模拟进行水力性能预测.预测分析的结果表明,采用后弯型叶片和提高叶片的个数可以增大副叶轮4.9%的封压能力,但是消耗功率增大40%,致使封压功率比降低;阻旋片的存在,可以消除叶轮背侧液体旋转,增大副叶轮5.7%的封压能力,但其宽度对副叶轮封压能力的提高影响不大;叶轮与壁之间的径向距离越小,副叶轮封压效果越好;平衡出口的存在可提高副叶轮3.5%的封压能力,但平衡出口的位置对副叶轮的封压效果具有较大影响.提出了两级副叶轮密封结构,分析了其功率消耗和封压性能.分析和工程应用的结果表明,采用后弯形叶片并配合阻旋片的多级副叶轮密封结构具有良好的密封性能,且功耗为单级结构功耗的55%左右.