喷水推进轴流泵的水力设计与空化特性分析

基于先进的叶片设计方法,本文采用NREC软件对喷水推进轴流泵(包括一排动叶和一排静叶)进行模型设计,进而采用标准k-ε湍流模型和混合多相流模型对其空化特性进行数值模拟,并借助“Schnerr Sauer”空化模型来探究空化导致扬程下降的机理。结果表明,随着有效汽蚀余量的减小,空化首先发生在叶轮进口端附近,然后向叶轮出口端、轮毂及相邻叶片方向扩展,其水汽混合混乱,反向回流而产生旋涡。另外,本文还研究了与泵内流场非线性耦合的叶片几何参数(叶片安装角、叶片拱度和叶片厚度等)对空化的影响规律。结果表明,叶片安装角减小或叶片拱度增加,空化面积将随之减小,这提高了喷水推进泵的抗空化能力,而叶片厚度对其性能影响不大。

叶顶间隙对喷水推进轴流泵空化性能影响

采用标准k-ε湍流模型和Mixture多相流模型对喷水推进轴流泵五种不同叶顶间隙下的流场进行数值模拟;并对其不同叶顶间隙下的空化性能进行分析。结果表明,随着装置空化余量的降低,空化最先在叶轮进口轮缘附近发生;然后逐渐向叶轮出口边、轮毂及压力面方向扩展开去。随叶顶间隙的增大,临界空化余量逐渐增大;且叶片吸力面空化面积增大,抗空化性能下降;叶顶间隙的存在导致叶轮出口轴向速度在靠近间隙的20%叶高区域降低;在相同装置空化余量下,叶轮出口轴向速度下降的速度随叶顶间隙值的增大而加快。

叶片厚度对喷水推进轴流泵空化性能的影响

采用三维雷诺平均N-S方程和标准k-ε湍流模型对不同叶轮叶顶厚度参数的喷水推进轴流泵流场和性能进行数值仿真。计算中选取的叶顶厚度参数分别为叶顶最大厚度(3 mm、5 mm、7 mm和9 mm)和不同叶顶最大厚度位置(20%c、40%c、60%c和80%c)。计算结果表明:在小流量工况下,随着叶顶最大厚度的增加,水力效率上升;当流量超过444 kg/s时,水力效率下降,且在相同的流量下,最高效率点下降,抗空化性能下降;随着叶顶最大厚度位置向后移动,喷泵最佳工况区域向小流量方向移动,且最佳工况区范围变窄;当最大叶顶厚度位置靠近进出口位置时,叶片进口侧靠近叶根区域易产生局部空化。由此可知,选择合理叶顶最大厚度位置,可有效提高抗汽蚀特性,避免发生局部空化。

叶轮叶顶厚度对喷水推进轴流泵空化性能的影响研究

采用三维雷诺平均N-S方程和标准k-ε湍流模型对不同叶轮叶顶厚度参数的喷水推进轴流泵流场和性能进行数值仿真。结果表明:叶顶最大厚度对喷水推进泵的空化特性产生一定影响,当叶顶最大厚度增加时,在小流量工况,其水力效率上升;当流量超过444 kg/s,特别是超过额定流量时,其水力效率反而下降,且在相同的流量下,最高效率点降低。随叶顶最大厚度的增加,喷泵扬程减小,抗空化性能下降,汽蚀比转速减小。因此,本文选择的叶顶最大厚度为3 mm。选择合理叶顶最大厚度,可有效提高抗汽蚀特性,避免发生局部空化。

喷水推进轴流泵叶轮强度计算

针对喷水推进轴流泵的叶轮受力进行了较为详尽的分析 ,并分别推出了等环量和变环量设计下的强度校核公式 。

喷水推进轴流泵的水力设计及性能分析

借鉴陆用轴流泵设计经验,利用Concepts NREC软件设计了三种不同安装角的喷水推进轴流泵,并采用三维雷诺平均N-S方程和S-A湍流模型对其流场和性能进行数值仿真。计算结果表明:叶片安装角对喷水推进轴流泵的性能和流场影响较大,动叶进口安装角减小6°后效率可提高3%~5%,叶片进口的狭窄高压区明显改善,动叶吸力面分离区和分离流动损失明显减小,叶片载荷分布更加均匀;静叶进口安装角减小后扬程和效率都有所提高,静叶出口的流场形态得到改善,角区分离得到控制、回流损失减小。

喷水推进轴流泵三元水力设计

基于环量的三元设计方法和计算流体动力学,研究了叶片数、叶片流向环量中心位置与叶片出口边环量对叶轮性能的影响,分析了导叶进口边和出口边环量对喷水推进轴流泵性能的影响,通过合理地控制这些因素,设计了一种效率高、空化性能好的喷水推进轴流泵。在流量为56.2m3·s-1时,泵的扬程为35.9m,功率为21 465kW,效率为92.3%,可见,设计泵的性能优良,效率高。研究结果表明:增加叶片数能够有效减小单叶片转矩,当叶片数从5个增加到7个时,单叶片转矩减小了21%;叶片环量中心靠近出口边,有利于提高叶轮的空化性能,当环量中心从叶片弦长的0.3处移动到0.7处时,叶轮吸力面空化面积减小80%;叶轮出口边环量斜率会影响叶轮效率,当斜率分别为0.8、1.0和1.2时,叶轮效率逐步提高;当出口边环量从0.40增加到0.50时,叶轮的扬程和功率近似线性增加,扬程增加19.9%,功率增加19.5%;随着导叶进口边环量与出口边环量的比值的增大,泵效率先增大后减小,当比值为0.93时,泵的效率最高;导叶出口边环量分布会影响泵的效率、出口不均匀度和出口周向动能,当导叶出口边环量为-0.05时,泵的效率最高,出口不均匀度和出口周向动能最小。

叶片安装角对喷水推进轴流泵动叶的影响

采用三维雷诺平均N-S方程和S-A湍流模型对多种不同叶片安装角的喷水推进轴流泵动叶流场和性能进行数值研究.计算结果表明,增大动叶进、出口安装角可以提高动叶的水力性能;设计工况下,进口安装角增大2°,出口安装角增大6°时动叶的水力性能最优;非设计工况下,动叶进口安装角的增加会增大小流量工况时动叶吸力面的分离区,而出口安装角的增大会拓展动叶大流量工况时高效工作区的范围,并充分发挥动叶做功能力,但在小流量工况下动叶的流动比较紊乱,会产生较大的角区分离.

基于代理模型的轴流式喷水推进泵优化设计

基于代理模型的敏感度分析以及预测方法,对喷水推进轴流泵叶片结构参数进行了优化设计研究,选取叶轮叶片和导叶叶片的安放角作为优化参数,选择效率、扬程作为优化设计的目标函数;针对优化结果,采用数值模拟的方法进行了外特性以及空化性能对比分析.结果表明:导叶叶片安放角对喷水推进轴流泵性能影响较小,叶轮叶片安放角是影响喷水推进轴流泵性能的主要因素;优化后喷水推进轴流泵的外特性以及空化性能均得到提升,效率提高了3.5%.同时,结果表明代理模型优化设计方法可以较好的适用于喷水推进轴流泵的优化设计.

喷水推进泵内流场数值模拟分析

基于Navier-Stokes方程组和标准k-ε湍流模型,采用SIMPLEC算法对喷水推进轴流泵流场进行数值模拟,预测泵的效率及扬程,并分析不同工况下泵内部压力场、速度场的分布情况。根据这些模拟结果,对叶轮叶片的汽蚀易发区、造成泵水力损失大的回流区等有一定程度的掌握,有助于我们认识泵内的真实流动规律,从而为泵的改进设计提供依据。