双向轴流泵装置双向发电水力特性分析

轴流泵在反向发电时,不同运行工况和几何过流形式可能会导致一定的水力不稳定现象。以某泵站双向轴流泵装置为研究对象,应用SST k-ω模型,对其开展双向发电全流道数值模拟。结果表明:额定转速下,轴流泵装置反向发电效率整体高于正向发电;最优工况下,与正向发电相比,反向发电在泵段有较合理的压力分布,流线相对平顺。正向发电导叶出口压力脉动稳定性较差,对比导叶段漩涡演变和叶轮受力变化规律得出,正向发电导叶内部的大尺度漩涡是引起导叶出口压力脉动不规律以及最优工况效率更低的原因,且是引起叶轮径向力更大的本质原因。研究结果可为泵站双向轴流泵装置及前(后)置固定导叶轴流泵装置在发电工况下的运行稳定性提供理论支撑和工程参考。

大型立式轴流泵装置泵工况及反向发电工况流道优化

泵装置是泵站的核心,开展泵装置优化研究非常重要。以轴向速度均匀度和速度加权平均角作为优化目标,实现对某大型立式轴流泵装置进出水流道在泵模式和反向发电模式下的全工况水力性能优化。通过对立式轴流泵装置的进出水流道进行多方案建模,在不改变进水流道起始面和出口断面形状的条件下,改变进出水流道弯肘段各个断面的尺寸及外侧型线,选取了不同进水流道和不同出水流道进行数值模拟结果的对比分析。细致分析了流道在泵模式和反向发电模式下叶轮进出口截面的流速分布均匀度、加权速度平均角度及进出水流道的水力损失、轴流泵装置外特性性能等指标的变化规律。研究成果表明,在泵站泵装置设计阶段,可以综合考虑进行流道在泵工况和反向发电工况下的水力设计来提高泵装置多种运行模式下的水力性能。研究成果为泵站泵装置水力设计和优化提供了理论支撑和工程实践参考。

大型立式轴流泵装置空化特性数值模拟

为研究大型立式轴流泵的空化特性,基于欧拉-欧拉多相流模型中的Mixture混合模型,采用Rayleigh-Plesset空化模型研究5个不同工况下大型立式轴流泵叶片背面空泡演化特征,分析叶片背面空泡面积占比与空化余量的关系,并基于滑移网格技术,利用快速傅里叶变换(fast Fourier transform,FFT)分析设计工况下4种不同空化余量叶片进出口压力脉动规律.结果表明:小流量工况下空泡初生于叶片进口和轮缘侧,呈三角形分布,随着流量增大,空泡沿轮缘侧向叶片出口偏移,大流量工况下初生空泡在压力面进口,随着空化余量降低,空泡均向叶轮出口及轮毂侧扩散;水泵装置效率下降1%时,不同流量下的空泡面积不同,设计工况下空泡面积最大,与设计工况差距越大则空泡面积越小;叶片空泡分布面积比临界值可作为判别大型立式轴流泵临界空化余量的依据,超过临界值后,空泡面积增长减缓,但效率急速下降;叶轮进出口最大压力脉动幅值先上升后下降,其最大幅值与空泡面积临界值对应.

大型立式轴流泵装置流道内部流动特性分析

基于三维不可压缩流体的雷诺平均N-S方程和RNGk-ε湍流模型,采用CFX软件计算了额定转速下180-340 L/s流量范围内6个工况点的立式轴流泵装置内部流动,分析了进水流道和出水流道的流动特性,重点研究进口流动细部结构,同时预测了泵装置的水力性能。计算结果表明：叶轮旋转对进水流道出口轴向流速分布和切向流速分布的影响较小。导叶出口环量对出水流道的流场影响较大,导致隔墩两侧流量分配不均,大流量时隔墩两侧水流流态比较平顺,而小流量时隔墩右侧流道内出现螺旋状水流,两侧水流严重不均衡。通过计算预测了泵装置水力性能,并与泵装置模型性能试验结果进行了对比,表明最优工况时数值模拟与试验结果吻合较理想,可以满足工程实际的需要。

不同空化工况下轴流泵装置压力脉动试验

为研究不同空化工况下轴流泵装置内部压力脉动特性,采用动态压力传感器对派河口泵站轴流泵装置模型的叶轮进口、叶轮出口、导叶出口3个压力监测点,分别在2. 5、3. 5、4. 5、5. 4 m扬程和未发生空化、临界空化(泵装置效率下降1%)、深度空化(泵装置效率下降3%)等12种工况下进行了压力脉动试验。试验结果表明:叶轮进口处的压力脉动曲线为平滑的近似正弦曲线;叶轮出口处压力脉动曲线幅值最大,且只在高扬程、未发生空化工况下的一个旋转周期内表现出明显有规律的二次谐波特性;导叶出口的压力脉动时域特性与叶轮进口相似。快速傅里叶变换(FFT)结果表明:各监测点在各工况下的主频为叶片通过频率的整数倍频,同一扬程工况下,随着空化程度的加深,各监测点主频附近的谐频逐渐向低频段移动;导叶出口与叶轮进口受叶频影响较小,且表现出相似的频率特性。

基于泵轴流固耦合的双向流道轴流泵装置的数值分析

首次采用双向同步求解的方法对一台灌排双向轴流泵装置的内流场和泵轴结构响应进行联合求解,运用雷诺时均Navier-Stokes方程和SST k-ω湍流模型进行三维非定常计算,采用多重坐标系法,结构响应基于弹性体结构动力学方程。对比分析了流固耦合作用前后出水流道中静压和速度分布以及导叶出口面上的压力脉动情况和湍流动能分布,并将外特性的计算结果与试验值进行了对比。分析结果表明:与不考虑流固耦合相比,出水流道中静压相对较大的区域面积增大,而流速分布变化较小;导叶出口面上压力波动的相位发生改变,脉动强度也增大;小流量下,耦合作用使得导叶出口的湍流动能增大,而设计流量和大流量下,湍动能分布变化较小。此外,外特性的吻合性也说明了模拟计算的可靠性。总体来看,流固耦合前后其流场的分布规律虽然趋势一致,但也有一定的区别,对大型双向轴流泵装置流固耦合计算更能反映实际情况。

泗阳二站轴流泵装置模型流道优化及模型试验分析

【目的】提高泗阳二站改造工程泵装置的水力效率,明确泗阳二站改造后泵装置的水力性能,了解泵站的真实运行情况,便于泵站的安全运行管理。【方法】以泗阳二站的立式轴流泵装置为研究对象,采用数值模拟技术分析了原设计方案(方案1肘形进水流道的流道高度1.707D、长度3.895D、进口面积4.984D^(2);虹吸式出水流道长度6.14D、进口直径1.09D、出口面积3.934D^(2),其中D为叶轮名义直径。)的泵装置水力性能并开展了流道的优化分析,通过物理模型试验获得了泵装置的能量性能。【结果】给出了肘形进水流道弯肘段方变圆渐缩型线、出水流道隔墩起始位置及隔墩长度的优化方案,优化后的肘形进水流道出口面的轴向速度分布均匀度提高了3.32%,加权平均偏流角减小了0.945°,水力损失减小了10.4%;相比原设计方案,优化的虹吸式出水流道水力损失减小了7.51%。在叶片安放角+2°、设计扬程6.30 m时,原型泵装置流量为35.2 m^(3)/s,满足设计流量的要求,效率为76.02%;在最大扬程6.8 m时,原型泵装置流量为33.84 m^(3)/s,效率为75.97%;在平均扬程5.55 m时,原型泵装置流量36.58 m^(3)/s,效率为74.23%。【结论】在保证进出水流道主要控制尺寸不变条件时仅缩短肘形进水流道的进口宽度至2.2D,虹吸式出水流道的隔墩起始位置向出水侧移动0.772D且保持隔墩头部与水流方向垂直的条件时,泗阳二站改造工程泵装置的水力效率相对较高,有助于保障改造后泗阳二站的安全高效稳定运行。

特低扬程双向立式轴流泵装置水动力特性数值计算

为了研究特低扬程双向立式泵装置的水动力特性,采用数值模拟与模型试验相结合的方法,分析了某特低扬程双向泵装置及过流部件在不同工况下的水动力特性。结果表明,该特低扬程双向立式泵装置及过流部件在设计工况时可获得较为理想的内、外特性;设计工况下泵装置的效率可达70%以上;最高扬程附近运行时,导叶叶道内出现流动分离等不良流态,转轮叶片工作面与背面压差较大,应避免在最高扬程附近运行。

泗阳二站改造工程轴流泵装置模型试验分析

为保证泗阳二站改造工程的成功,确保水泵选型合理和泵装置水力性能优越,采用物理模型试验方法测试不同叶片安放角时立式轴流泵装置的能量性能、空化性能、飞逸特性及脉动特性。结果表明:叶片安放角为-2°时,泵装置最高效率77.79%,此时泵装置扬程5.82 m,流量0.31 m^(3)/s;叶片安放角为+2°时,设计扬程6.30 m下原型泵装置流量为33.00 m^(3)/s,满足设计流量要求,装置效率75.54%,原型泵必需汽蚀余量为8.45 m;最大扬程6.80 m时,原型泵必需汽蚀余量为8.69 m,最大飞逸转速为电机额定转速的1.65倍。在同一叶片安放角,导叶体出口监测点的压力脉动峰峰值大于叶轮进口监测点的压力脉动峰峰值,且随扬程增加,各监测点的压力脉动峰峰值基本呈增加趋势。

基于流固耦合的双向流道轴流泵装置振动特性研究

双向流道轴流泵装置广泛应用于农田灌溉以及抗洪排涝领域。双向进水流道由于形状特征容易导致叶轮产生振动,严重时叶轮叶片甚至会产生裂纹,影响泵装置的安全运行。故采用双向同步求解的方法,在考虑双向进出水流道的情况下,对轴流泵内流场和叶轮结构响应进行联合求解,分析叶轮表面的应力及变形分布,可以为叶轮进行结构改进提供理论指导。计算结果表明,轴向力随叶轮旋转产生周期性变化,叶轮最大等效应力主要分布在靠近轮毂处,最大变形量主要分布在叶轮前缘与轮缘夹角处。当流量增大时,叶轮最大等效应力与最大变形量逐渐减小。在此基础上,研究了位于叶轮前缘与叶轮后缘上的4个特征点所受等效应力的情况,通过对比发现,叶轮前缘所受等效应力远大于叶轮后缘。

大型立式轴流泵装置水力模型比选分析

【目的】探讨水泵选型方法的合理性。【方法】基于雷诺时均N-S方程和RNG k-ε紊流模型,以立式轴流泵为研究对象,采用传统选型方法和等扬程加大流量的选型方法,运用CFD软件对2种水力模型的泵装置进行全流道数值计算,增加泵装置外特性和不同工况下导叶流线分布作为分析水泵选型方法的参考指标。然后对水力模型选择的可靠性进行模型试验验证。【结果】传统选型方法所选的模型,泵装置高效区扬程偏高,但考虑到涵洞损失,可以应用在该泵站中。等扬程加流量的选型方法高效区合理,但最高扬程不能满足要求。数值计算与模型试验的结果对比最大误差小于5%,整体性能曲线的趋势相对良好,数值计算对泵装置的模拟合理可靠。【结论】选用等扬程加大流量的选型方法可保证轴流泵最高效率点与设计点接近,在实际工程中,需兼顾各个特征扬程。

轴流泵装置的数值实验分析

基于ANSYS CFX 10.0软件、Standard k-ε湍流模型及RNG k-ε湍流模型封闭雷诺平均N-S(RANS)方程,对轴流泵装置在不同工况下进行全三维数值模拟实验。计算装置的扬程和水力效率,得到的计算结果与实验结果的变化趋势一致。在最高效率点附近,Standard k-ε计算的扬程值误差较小。在大流量时计算的扬程值大于实验值,在小流量时计算的扬程值小于实验值。

轴流泵装置反转水动力特性研究

为了探究轴流泵装置反转运行条件下的水动力特性,采用试验测量结合数值模拟的方法,对某配有常规单向叶轮的轴流泵装置的反转运行特性进行了研究,分析了轴流泵装置包括反水泵工况、反向发电工况的能量特性和内流特性。结果表明,应用单向叶轮的轴流泵装置进行反转抽水的扬程和效率均较低,高效点的扬程仅为常规泵工况高效点扬程的0.38倍,高效点的效率仅为常规泵工况的0.55倍。反水泵工况下的压力脉动信号成分较为复杂,泵装置出水流道的流态较差,不同流量工况下的叶片非工作面均存在较大范围的回流区。反向发电工况下,最高效率点向大流量偏移,出现在Q_(d)=1.63流量工况,高效区的范围明显增大,达到了泵工况的1.53倍,在大流量工况下仍能维持较高水平的水力效率。反向发电工况下水泵叶片非工作面的极限流线较为平顺,叶片工作面的压力梯度分布较为均匀。研究成果为特殊利用条件下的轴流泵装置的安全稳定运行提供了参考。

轴流泵装置调速性能的非线性回归模型研究

利用理论推导和试验数据相结合的方法,通过多元非线性回归分析得出轴流泵装置调速性能模型。根据水泵基本方程,结合假定条件推导出轴流泵装置扬程、效率关于转速、流量的特性方程。利用高精度水力机械试验台分别对2种不同类型的轴流泵装置试验测试,分析得出效率和扬程特性曲线随转速变化呈非线性变化的结论。利用试验数据作为观测值,特性方程作为预测模型,利用nlinfit函数和遗传算法相结合的多元非线性回归算法计算得出特性方程的待定系数。对2个算法的分析比较发现,单独利用多元非线性回归算法所求得的系数解趋于局部最优,而结合遗传算法后能得到全局最优解。将所求待定系数代入预测模型,分别将2种轴流泵装置的扬程、效率调速特性试验数据与预测值进行比较,得出:全流量范围内扬程误差绝对值在0~0.8 m之间,效率误差绝对值在0~8%之间;设计工况点附近扬程误差绝对值在0~0.5 m之间,效率误差绝对值在0~5%之间。

不同导叶参数对箱涵式轴流泵装置水力性能的影响

为了研究不同导叶参数对箱涵式轴流泵装置水力性能的影响,采用正交设计的方法,选取导叶叶片数、相对位置及扫掠角作为设计因素,每个因素选取3个水平进行组合,应用数值模拟方法研究3个因素对泵装置效率、出水流道轴向均匀度、导叶体水力损失及出口处平均涡角的影响规律,最终综合确定最优的设计方案.研究结果表明:如果只改变导叶的参数,导叶叶片数对导叶出口处的平均涡角和出水流道轴向均匀度影响较大;导叶相对位置在对泵装置的效率和导叶体水力损失影响因素中占主导地位;随着导叶扫掠角增大,泵装置效率、出水流道轴向均匀度、导叶体水力损失先增大后减小,平均涡角影响较小;对比数值计算和模型试验的结果,在设计工况附近效率基本吻合,扬程在误差允许范围内.研究结果可为箱涵式轴流泵装置优化设计提供一定的理论依据.

低扬程立式轴流泵装置模型试验研究

本文结合南水北调东线工程某大型泵站,对低扬程立式轴流泵装置进行一项模型试验研究。试验结果表明,该模型轴流泵装置在部分流量区域出现不稳定的马鞍形区,马鞍形区扬程范围大约在1.3H_d～1.6H_d,在各个叶片安放角度下的马鞍形区流量范围各不相同。该模型轴流泵装置的扬程有效稳定运行范围大约在0.69H_d～1.27H_d,流量有效稳定运行范围大约在0.78Q_d～1.35Q_(d)。模型轴流泵装置的高效率区域与模型轴流泵段相比,向小角度方向偏移3°左右。

立式轴流泵装置叶片区压力脉动数值分析

压力脉动是影响轴流泵装置安全稳定运行的重要因素之一,为明确轴流泵装置叶片区压力脉动的变化规律,基于CFD软件对立式轴流泵装置全流道进行三维非定常数值计算,获得了轴流泵装置叶轮和导叶体区域的压力脉动时域数据,分析了最优工况时各监测点压力脉动特性,以及3个特征监测点的压力脉动随流量的变化规律。结果表明:最优工况时,叶轮进口压力脉动幅值从轮缘到轮毂逐渐减小;叶轮出口压力脉动幅值从轮缘到轮毂先减小后增大;导叶体出口处的压力脉动幅值从轮缘到轮毂先增大后减小。叶轮进口轮缘处压力脉动幅值随流量增大而减小;叶轮出口轮缘处压力脉动幅值随流量增大先减小后增大;导叶体出口轮缘处压力脉动幅值随流量增大而减小。小流量工况时各监测点的压力脉动主频幅值均大于最优工况和大流量工况。计算结果为分析轴流泵安全稳定运行提供了参考。

轴流泵装置出水流道内流脉动与流动噪声试验分析

为了研究立式轴流泵装置出水流道内流脉动及流动噪声的变化规律,采用在出水流道布置压力传感器和水听器的试验方法研究分析了轴流泵装置不同转速、不同流量时出水流道的内流脉动及流动噪声的时频特性。结果表明:相同流量比时,各监测点的脉动幅值均方根均随转速的增加而增加。相同转速时,各监测点的脉动幅值均方根均随流量比的增大而减小,不同流量比时各监测点的脉动主频存在差异性;不同转速相同流量比时同一监测点的脉动主频存在差异性;不同转速不同流量比时各监测点的脉动主频以51 Hz为主,脉动主频和脉动次主频均未与转频呈整倍数关系,脉动主频和次主频均在200 Hz范围内。相同流量比时出水流道内部流动噪声的声压级随转速的增加而增加,转速对最优工况时出水流道流动噪声的声压级影响较明显。相同转速时,出水流道内部的流动噪声随流量的增加呈先减小后增大的趋势。根据出水流道内流脉动幅值分析,应尽量避免低扬程泵装置在小流量工况运行。

钟型进水流道轴流泵装置数值优化与试验分析

基于RNG k-ε紊流模型和雷诺时均N-S方程,运用流体计算CFD软件对钟型进水流道的轴流泵装置进行三维流动数值模拟以及水力性能的优化设计。通过先局部后整体的方法先单独对钟型进水流道进行优化,然后在整体泵装置内对弯管式出水流道进行优化,对进、出水流道进行三维参数化建模,进水流道以出口断面速度均匀度和水力损失为目标函数,出水流道以泵装置效率为目标函数,针对设计流量工况点,分别对进水流道和出水流道各控制参数方案进行数值模拟计算,分析不同控制尺寸对进、出水流道水力性能的影响。最后通过模型试验对优化方案数值计算结果进行可靠性验证。数值模拟和模型试验结果表明,优化后钟型进水流道的水力损失由0.348 m降低到0.148 m,钟型进水流道出口流速均匀度由54.59%提高到93.35%;弯管式出水流道的水力损失由0.464 m降低到0.415 m,通过优化流态得到了改善。模型泵装置试验在叶片安放角0°时,设计工况下泵装置效率达到74%,泵装置最高效率为76.47%,高效区运行范围较宽;进出水流道无漩涡产生,流态均匀,数值模拟和模型试验外特性曲线误差在5%以内,进水流道水力损失曲线趋势相同。运用数值模拟优化计算钟型进水流道的轴流泵装置,缩短了试验周期,节约了成本,可为同类泵站的设计和安全运行提供参考。

隔墩对轴流泵装置直管式出水流道内流及脉动的影响

为分析隔墩对直管式出水流道内部流态及压力脉动的影响规律,基于立式轴流泵装置物理模型,采用在直管式出水流道壁面布置丝状红线和压力脉动传感器的方法进行了试验。结果表明,小流量工况时,有无隔墩的直管式出水流道内壁面红色丝线均呈大角度倾斜状;在最优工况和大流量工况时,直管式出水流道内壁面红色丝线趋于水平状,流量越大红色丝线越趋于水平。无隔墩的直管式出水流道脉动幅值均方根的平均值均高于有隔墩的直管式出水流道脉动幅值均方根的平均值。相同转速时,有无隔墩的直管式出水流道各监测点的脉动幅值均方根均随流量的增大而减小;相同流量比时,各监测点的脉动幅值均方根随转速的增加而增加。不同转速下各最优工况时,有隔墩的直管式出水流道各监测点的脉动主频与转频呈整倍数关系。隔墩对直管式出水流道内部水流流态有一定的调整作用,可降低脉动幅值,但不同工况时隔墩对直管式出水流道内流的改善效果还取决于导叶体出口剩余环量和流量。