Performance experiment and numerical prediction on the optimization design of the micro-sized water turbine for the hose reel irrigator

In order to significantly improve the efficiency of driving water turbine used in hose reel irrigator,a new water turbine structure was proposed by the method of performance test and numerical calculation.The internal flow characteristics of original water turbine were analyzed,and it was found that unreasonable design of main flow passage components such as inlet,outlet and runner could not effectively translated pressure energy of upper stream into impact kinetic energy of blade,and gave rise to low energy conversion efficiency of water turbine.The inadequate internal flow and uneven pressure distribution were also not conducive to energy conversion efficiency.Then a new structure of water turbine structure was presented,in which the inlet has a tangential nozzle jet and the outlet is in axial direction.The computational analysis showed that the nozzle jet at the inlet of the new water turbine runner,which makes jet flow mainly concentrate in the impacted blade passage,can reduce the loss of flow kinetic energy.The axial outflow increases the distance of inflow in the runner,which is more conducive to the runner blades work.Performance experiments on both original and new water turbines showed that the highest efficiency of the new turbine is almost 20 percentages higher than that of the original turbine,and the new turbine is nearly triple output power over the original turbine.The internal flow characteristic analysis and the performance experiment were conducted to assess the feasibility of the replacement of the original water turbine by the new water turbine.

FPSO外输软管安装方法分析

基于企鹅浮式生产储卸油装置(Floating Production Storage and Offloading,FPSO)项目,对比不同安装方法的优缺点,采用盘卷安装法完成外输软管安装。采用盘卷安装法进行FPSO外输软管安装在国内鲜有实例,详细描述该方法的施工顺序和要点,可为其他类似项目的外输软管安装提供参考。

连续管作业机软管滚筒制动装置设计

为了解决连续管作业机实际运输过程中滚筒在较差路况下出现晃动的问题,在充分考虑滚筒空间有限的情况下,提出了结构简单的液压控制制动装置,并在该制动结构的基础上进行了强度分析和疲劳寿命分析。分析结果显示:在液压缸施加21 kN推力的情况下,未简化的结构最大等效应力为233.5 MPa,经过简化的结构最大等效应力为62.89 MPa,满足选取材料强度的要求。疲劳寿命分析表明,制动结构的疲劳寿命在107次以上,安全性较高。

JP50卷盘式喷灌机水涡轮水力性能的试验与模拟

针对目前国内卷盘式喷灌机用水涡轮的外特性和内部流场分布规律的研究较少,设计了水涡轮试验台,对JP50卷盘式喷灌机配套使用的水涡轮进行试验,得到了外特性曲线.采用全流场和结构化网格技术对水涡轮内部流动进行了数值计算,分析水涡轮在不同流量下的压力分布和速度矢量分布,得到了内部流动分布规律.结果表明:水涡轮的工作效率很低,最高效率仅为13%,最高效率点前效率曲线比较陡峭,最高效率点后效率曲线相对较为平坦;最高效率的数值计算与试验结果相对误差为6.87%;高压水通过水涡轮主要工作叶片后压力迅速递减,造成了较大的水力损失;进出口压差随流量的增大而逐渐增大,与水涡轮的水头-流量及轴功率-流量曲线相吻合;水涡轮叶轮出口处出现回流现象;水涡轮出口管道下壁面附近存在低压区,并且随着流量的增大低压区的面积逐渐减小,随之出现了涡流现象.

卷盘式喷灌机研究进展与发展趋势分析

为促进我国卷盘式喷灌机快速发展,提高对卷盘式喷灌机关键技术的整体认识和比较国内外差距,本文概述了国内外的发展历程和卷盘式喷灌机的主要类型和机型,从内外特性指标两方面,阐述了影响卷盘式喷灌机的关键因素及研究现状,总结出喷头车行走速度的均匀性、行走速度与喷头旋转扇形角及速度的匹配关系、喷头车运行稳定性、喷头进口压力的稳定性、喷头的姿态和地形等是影响喷灌均匀性指标的关键因素,各组成部分的能量转换效率和优化匹配是影响整机能耗的关键因素。分析了卷盘式喷灌机驱动动力、传动系统、速度控制、关键环节能量转换和喷头车稳定性等关键技术的研究进展和存在的问题。提出了我国卷盘式喷灌机需要重点研究的应用基础和关键技术问题,展望了卷盘式喷灌机多功能和智能化的发展趋势。

JP75卷盘式喷灌机水涡轮水力性能分析与结构改进设计

为了揭示JP75卷盘式喷灌机切击式水涡轮的水力性能及内部流动特征,采用电涡流制动器阻力代替喷灌机负载,进行水涡轮水力性能试验,并基于SST k-ω模型对水涡轮内部流动进行数值模拟。在此基础上,通过模拟正交试验对影响水涡轮水力性能的主要因素进行分析。研究结果表明,水涡轮进出口水头差及输出功率随流量增加近似呈抛物线型增加,不同工况下水涡轮效率均低于35%;水涡轮喷嘴出口处存在回流区,回流区的低速流动降低了喷嘴射流速度,造成水涡轮驱动力矩下降;叶轮内存在一个主过流叶片通道,喷嘴出流在叶轮内主要由主过流通道流经叶轮,主过流通道内叶片工作面压力高于其他区域;叶片出口侧环形流道内流速相对较高,对叶轮内非主过流通道流动起阻滞作用,导致叶轮区形成回流漩涡;喷嘴出口直径和叶片侧端间隙大小对水涡轮水力性能有显著影响,模拟正交试验获得了喷嘴出口直径24 mm、叶片侧向切削点与叶轮旋转轴径向距离52.7 mm、叶片侧端间隙6.8 mm的水涡轮改进方案;与原型水涡轮相比,不同工况下,改进方案水涡轮的进出口水头差降低了20%~30%,输出功率提高了10%~15%,效率提高了12~17个百分点,最高可达52.21%。

JP75型卷盘喷灌机用水涡轮能耗贡献率分析

为对JP75水涡轮各过流部件展开能耗贡献率研究,探究水涡轮性能,利用水涡轮试验台对JP75水涡轮在不同转速下进行外特性试验,并确定水涡轮最优转速(250 r/min);采用CERO和STAR-CCM+前处理对水涡轮全流道内流场进行三维建模、多面体网格划分以及数值计算,计算得到水涡轮在固定转速下的外特性曲线.计算不同工况下流场内部各处能耗,发现叶轮与进出水管道连接处平均总能耗达到52.18%,其中叶轮与进水管道连接处能耗贡献率达到44.80%,分析云图发现此处压力梯度较大,分布不均匀,叶片工作面涡旋现象明显,说明此处能量耗散现象最为严重,在此基础上,对JP75水涡轮采取优化设计,优化后其效率得到显著提升,水头有明显降低且输出功率得到保证.

卷盘式喷灌机卷盘驱动负载计算与分析

为优化卷盘式喷灌机驱动结构,研制高效卷盘喷灌机驱动器,需要对卷盘式喷灌机的卷盘负载情况进行计算和分析。为此,以软管牵引式卷盘喷灌机为对象,建立了卷盘负载转矩计算的物理模型,理论推导了在运行时的卷盘负载转矩数学计算模型。以JP50和JP75型卷盘式喷灌机为例,按推导所得数学模型进行计算,得到了运行时卷盘负载转矩随已回卷PE管长度的变化规律和估计值。计算结果表明:JP50型卷盘式喷灌机运行时最大负载转矩约为960N·m,JP75型为6 001N·m;卷盘负载转矩随已回卷长度的增加而减小,且当卷盘回卷半径变化时,负载转矩将突然变大;负载转矩的大小和变化规律只与喷灌机的参数和运行条件有关,与运行时的速度无关。

8PJ50-100型绞盘卷管式喷灌机设计

对以拖拉机驱动的绞盘卷管式喷灌机 ,确定了选取泵型及输水管的方法 ,设计的双梁式压管机构较单梁式压管机构节省材料 83% ;设计的杆式输水管导向器 ,简单轻便 ,装拆方便。拖拉机与喷灌机用伸缩轴连接 ,能使机组运输时转弯半径小 ,工作时传动链距小。利用拖拉机后轮驱动绞盘运转 ,使绞盘驱动系统传动比降低 91～ 92。

卷盘式喷灌机太阳能智能驱动控制系统

为充分发挥卷盘式喷灌机的水力性能,降低喷灌机能耗,并实现喷灌机喷洒速度的自动控制,以电驱动代替水涡轮驱动,并开发了智能控制系统.采用太阳能系统供电,永磁无刷直流电动机驱动卷盘,设计了基于MSP430F169单片机为检测和控制核心的驱动控制系统.该系统主要包括太阳能充电控制器,电动机控制器,隔离电源模块,电动机电压、电流检测模块,蓄电池电量检测模块,电动机霍尔测速模块,卷盘转速和回卷层检测模块以及键盘和液晶模块.研制了各模块软硬件,实现了对卷盘各项运行参数的测量显示和喷洒车移动速度的自动控制,试验结果表明,该智能驱动控制系统运行稳定,能实现喷洒车的匀速回收.该系统为实现卷盘式喷灌机变量灌溉提供了有效地实现方式和技术手段.

卷盘式喷灌机水涡轮发展与研究现状

为解决国产水涡轮效率低的问题,回顾了国内外卷盘式喷灌机的发展及研究历程和早期对水涡轮的研究,综述了近5 a国内研究人员围绕国产JP50和JP75这2种水涡轮所开展的外特性试验、CFD分析和改进措施等研究现状.概述了国外目前常见的冲击式和径流式2种水涡轮的结构类型,重点介绍了国内学者针对引进国外的进口为射流冲击式结构的水涡轮所开展的创新性研究,在试验和CFD模拟的基础上,发现这种结构水涡轮的内外特性比国产水涡轮有很大提高,并通过正交试验分析了各种参数对性能的影响,采用GA-BP优化算法进行了进一步优化设计,获得了一种优化的水涡轮模型,CFD分析和试验都证明,优化水涡轮的内外性能全面超过了国外水涡轮.最后,总结了水涡轮研究存在的不足,提出了今后对水涡轮研究的改进建议.

卷盘式喷灌机冲击式水涡轮结构参数优化

针对JP75卷盘式喷灌机冲击式水涡轮驱动力矩小、水力效率低、压力损失高等问题,以提升水涡轮水力性能为目标,在单因素分析的基础上,基于响应曲面模型和CFD数值模拟,选取叶轮侧端间隙宽度(侧端间隙)、出水管入口倒圆半径(倒圆半径)和喷嘴中心与叶轮轴的间距(中心间距)为设计变量,以水涡轮效率最高、驱动力矩最大和压力损失最小为目标函数,运用Box-Benhnken中心组合试验设计方法,开展三因素三水平优化设计分析。结果表明:所建立的二次多项式响应面模型可以准确表征响应指标与设计变量之间的关系,中心间距是影响水涡轮水力性能的最主要因素;水涡轮结构参数最优组合为:中心间距73 mm、侧端间隙2 mm、倒圆半径20 mm;设计工况下的试验结果表明,与原型水涡轮相比,优化的水涡轮效率提高17.6个百分点,驱动力矩提高13.2%,进出口压降降低29.3%。

基于蜗轮蜗杆的卷盘喷灌机传动设计与优化

为了扩大卷盘喷灌机的调速比范围,加大传动比以及提高其效率,以直流电动机驱动的JP75型卷盘式喷灌机为基础,重新对该型号机器进行了基于蜗轮蜗杆的大传动比结构的设计与优化.新型传动结构根据喷洒车运行速度将其分为两档传动,以蜗轮蜗杆传动代替部分直齿圆柱齿轮传动,降低了传动的级数.针对初步确定的传动系统设计参数,运用Matlab遗传算法工具箱,以传动效率最高与齿轮减速箱体积最小为目标函数进行多目标连续离散混合变量的遗传算法优化.对初始分配的链传动,直齿圆柱齿轮传动以及蜗轮蜗杆传动各级齿数,齿宽系数等关键参数进行了相关优化,优化后的结果和试验测试表明:与初始设计参数对比,第一档传动总效率提高了13.77%,第二档传动总效率提高了13.11%,同时总体积减少了10.30%.新设计的传动系统方案为新型转盘喷灌机的研发升级提供有益的借鉴.

JP75型卷盘式喷灌机水涡轮能量转换数值模拟分析

为了对JP75型卷盘式喷灌机水涡轮进行能量转换分析、参数优化及探究其内部流动性能,采用CFD技术,对转速为250 r/min下的水涡轮进行三维建模、多面体网格划分以及数值模拟.分析水涡轮压力云图和速度云图,发现进口管道中不合理的弯道、喉部、喷嘴设计导致了水涡轮运行效率偏低,来流中的压力势能未能转化为有效的叶片冲击动能,大量能量仍以势能的形式储存在液流中.分析过流断面流线图,发现叶片间隙及出口管道入水口处有大量涡旋产生,造成部分能量损失,从而表明现有的JP75型水涡轮进出口设计和叶片设计需要改进.对进水管道喉部之后的射流段和转轮这两处进行能量转换计算,平均效率分别为26.31%和45.44%,转换效率明显偏低.对现有JP75型卷盘式喷灌机水涡轮进行了参数优化设计,经计算,初步确定了优化模型的标称直径为0.201 m、射流直径为0.021 m、设计水头为13.65 m.

基于行星齿轮的卷盘喷灌机传动设计与优化

为了提高卷盘喷灌机运行效率,拓宽原动机的调速范围,使实际工况下原动机尽可能工作在高效区,重新设计了基于三级NGW型行星齿轮的传动系统.新型传动结构可以实现正常工作挡、工作中途动力回收挡、断电或无高压供水下的手动回收挡等三挡变速功能.新型传动型式总效率提高近21%.针对新设计的传动系统的行星齿轮部分建立以传动效率最高和体积最小为目标的多目标优化模型,针对包含有模数、齿数以及变位系数等混合离散变量的问题,采用遗传算法工具箱GADS进行了混合离散变量多目标线性加权优化,优化后的三级行星齿轮传动与初始设计相比效率提高了10.64%,体积减少了16.3%.新设计的传动系统方案为新型卷盘喷灌机的开发升级提供了比较有益的借鉴.

卷盘喷灌机传动系统的疲劳仿真

为了分析卷盘喷灌机传动系统关键零部件的实际受力和预估其疲劳寿命值,提出一种多体动力学仿真和有限元法相互结合进行结构疲劳寿命预测的方法,并以蜗轮蜗杆传动系统为例进行了疲劳寿命计算.在ADAMS中建立了传动系统主要受力部件的虚拟样机仿真模型;利用ADAMS的多体仿真技术获得蜗轮蜗杆传动系统的动载荷历程;利用ANSYS软件的基于应力的结构安全因子分析法对传动系统的齿轮、轴承和链进行疲劳寿命预测,其中包括静强度值和寿命估计.仿真结果表明:齿轮16仿真的合力值为5 392 N,理论上所受的最大合力为5 526 N,仿真误差为2.42%;齿轮16齿根弯曲疲劳寿命值为2.34×105次;轴承8最大径向力为1 685 N,疲劳寿命值为1.12×105h;链节在0~1 s范围内的峰值张紧力的平均值为11 837.2 N,理论计算值为12 012 N,实际计算误差为1.45%.仿真值与理论值误差很小,该方法可以对疲劳事故的原因进行诊断,并且可以作为采用工艺强化措施的依据.

高稳定性卷盘喷灌机单喷头喷洒车设计

针对国产卷盘式喷灌机最常采用的单喷头钢架拼接式喷洒车在运行过程中受到喷头压力水后坐力、螺旋盘管扭曲的作用力和地面坡度等环境的作用而出现的弯扭、翻倾等问题,克服在喷头车上直接安装水泥配重块这一传统解决方案带来的成本提高、造型笨重粗糙等不足,从喷洒车的具体结构推导出影响其稳定性的理论因素.建立了单喷头喷洒车的三点支撑型式和五点支撑型式2种主要车架拓扑结构模型.以安装摇臂式喷头的喷洒车为例,考虑地面与车轮之间的摩擦因素,对一定坡度工况下运行的车体进行受力和受弯矩的平衡稳定性分析,将最大不翻倾临界坡度角作为衡量喷洒车稳定性高低的指标,基于Matlab平台对影响稳定性的重心高度、前后支撑点距离等因素进行了优化,表明喷洒车的最大不翻倾临界坡度角提高了39.53%,优化后喷洒车的稳定性得到增强.成果可为高稳定性喷洒车的设计优化提供有益的借鉴.

绞盘卷管式喷灌机压管机构中弹性梁的设计

用于绞盘卷管式喷灌机压管机构中的矩形等截面弹性直梁 ,在梁自由端挠度及载荷相同条件下 ,设计梁使之满足强度条件 ,单梁式机构中梁的用材量与双梁式机构中梁的用材量之比为 1 16。

浅议室内消火栓系统中的压力开关与流量开关

简要介绍了压力开关、流量开关的工作原理及产品分类;阐述了初期火灾高位消防水箱独立供水及高位消防水箱、稳压泵联合供水的室内消火栓系统压力开关设定压力的计算方法;分析了室内消火栓系统不同消防设施配置条件下初期火灾最小消防流量及流量开关设定流量的取值要求;对于增设消防软管卷盘的室内消火栓系统,提出采用水枪喷嘴9的消防软管卷盘及增加最不利点处栓口的静压等措施,有利于系统流量开关流量的设定。

卷盘喷灌机水涡轮性能测试系统数据校正

为保证卷盘喷灌机水涡轮性能测试数据的真实可靠,需要对卷盘喷灌机水涡轮性能测试系统进行数据校正。为此,通过建立卷盘喷灌机水涡轮性能参数采集数据的数学模型,推导出水涡轮参数采集数据与实际数据的函数关系,得到参数测量误差与实际信号的对应关系;在保证性能测试系统试验条件与试验环境相对稳定的条件下,计算出各性能参数的校正参数,并基于Lab View开发平台对卷盘喷灌机水涡轮性能测试系统数据校正进行软件设计。通过误差分析表明:本研究对卷盘喷灌机水涡轮性能测试系统的数据校正符合GB/T3216-2 0 0 5《回转动力泵水力性能验收试验1级和2级》的规定,可以有效提高卷盘喷灌机水涡轮性能测试系统测试数据的准确性。