屏蔽式离心泵浮动叶轮轴向力平衡方法

为了实现屏蔽泵离心叶轮轴向力平衡,设计浮动叶轮轴向力自平衡结构,借助全流道三维数值模拟手段,研究浮动叶轮的轴向力平衡作用机理和影响因素.在对数值模拟方法进行试验验证的基础上,开展针对不同工况下叶轮不同轴向位置轴向力的数值计算.数值模拟结果表明,在同一流量工况下,在叶轮浮动范围内,当叶轮向泵入口方向移动时,泵前腔泄漏量减小,扬程和效率增大,且越靠近入口,对泵的性能影响越显著.轴向力呈现先减后增的趋势,在远离入口时方向指向泵入口,在靠近入口时,叶轮轴向力迅速增大,实现反向,指向泵出口,帮助叶轮停止向入口移动,这种轴向力变化趋势可以使叶轮在工作时始终处于浮动状态,实现轴向力自平衡.

仿生圆弧微槽对离心叶轮气动性能影响的数值研究

为提升离心叶轮的气动性能及降低流动损失,以鲨鱼表皮微沟槽为仿生原型,结合数控加工工艺开展了仿生圆弧微槽对离心叶轮气动性能影响的数值研究。针对叶片压力面和吸力面,首先在50%叶高处分别布置不同尺寸的仿生圆弧微槽,探求能使离心叶轮性能得到提升的最佳微槽尺寸;然后,分别按一定叶高间隔布置最佳尺寸的仿生圆弧微槽,研究微槽数量对离心叶轮流场和性能的影响;最后,按不同叶高间隔同时布置不同数量的仿生圆弧微槽,进一步探究其对气动性能的影响规律。数值结果表明:相对宽度为2%、深度为5%的微槽是提升离心叶轮性能的最佳微槽尺寸;在压力面和吸力面分别以7%、6%叶高间隔布置13、16条微槽,能够显著改善叶轮出口截面的流场分布,从而降低流动损失;在压力面和吸力面同时布置最佳尺寸及数量的微槽,能够进一步提升离心叶轮的气动性能,设计工况下等熵效率提升了0.63%,压比提升了0.40%。研究工作可为离心叶轮的设计优化及数控加工提供参考。

叶轮开孔参数对气液两相高速离心泵的影响

为保持高速离心泵在气液两相条件下的性能稳定性,采用CFD数值模拟方法探究不同孔径和位置叶轮开孔对高速离心泵的性能影响。结果表明:开孔泵的性能趋于稳定,随着入口含气率的增大,开孔泵的扬程逐渐降低。而原始无孔泵扬程随着入口含气率的增大而显著下降。因此,在入口含气率较大的情况下,开孔可以提高高速离心泵的性能;当入口含气率不足时,有孔泵的性能不如原始无孔泵,扬程随着孔径的增大而减小。当孔径为3.5 mm时,扬程衰减超过18%,因此孔径不应>3 mm;随着开孔孔径的增大,叶轮中的气体体积减小,而孔径越大,泵内的水力损失越大。因此在选择孔径时,必须在叶轮中的气体体积和泵的水力损失之间进行权衡;开孔的径向位置值越小,孔越靠近叶轮中心,水力损失越大;开孔的径向位置值越大,叶轮中气体体积就越大,在选择开孔的径向位置时,仍然需要权衡。对于所研究的高速离心泵,仿真结果表明,径向位置为14 mm和孔径为2 mm的选择是可取的,可以很好地平衡叶轮中气体体积和水力损失。

不同叶顶弯曲对离心叶轮性能影响机理

面对现代发动机对离心叶轮性能需求不断提高的背景,叶顶弯曲具备有效改善离心叶轮气动特性的能力,本文通过数值模拟的方式对不同叶顶弯曲方向、弯曲形式、弯曲程度的压气机性能进行预测,基于仿真结果对不同流动状态下压气机内部流场进行分析,给出了叶顶弯曲压气机性能变化机理。结果显示:负弯叶轮有助于提升压气机峰值效率,提高压气机堵塞流量。正弯叶轮则在损失部分效率的情况下,使压气机失速裕度得到提升。弯曲叶轮主要通过改善叶顶前缘载荷,重构叶轮通道内静压分布,从而削弱激波强度、减少二次流损失、抑制低能涡发展,达到提升压气机性能的目的。本文研究结果可为离心压气机叶片改型设计提供参考。

半开式离心叶轮叶顶泄漏诱发流道流动堵塞特性研究

为探究半开式离心叶轮叶顶泄漏量诱发的流道中流动堵塞作用,采用大涡模拟对流场进行精确计算,基于流动堵塞预估模型对叶顶间隙0.5、1.0和1.5 mm的3种半开式离心叶轮在不同流量工况下的流动堵塞特性进行研究,发现在叶轮流道内存在流动堵塞峰值,且在3种叶顶间隙下均在截面2处,在经过截面2之后流动堵塞发生大幅度的减小,并在后面4个截面发生小幅度的波动;通过对不同叶顶间隙、不同流量工况下在叶轮尾缘处相对流动堵塞作用的分析,发现尾缘处的流动堵塞在不同叶顶间隙下,随流量的变化具有相同的趋势,相对流动堵塞均在1.0Q_(d)时达到最小值,在0.6Q_(d)时出现峰值;然而流动堵塞在相同流量下与叶顶间隙的关系不是单一的线性关系,且存在一个最优叶顶间隙在设计工况点达到最小的流动堵塞情况;同时通过对泄漏涡发展情况的观察,发现泄漏涡的破碎和位移会增大叶片尾缘处的流动堵塞;通过对叶片静压差的分析,发现运行流量对叶片载荷的影响不大,然而叶顶间隙的改变会大大影响叶片载荷,同时对叶片尾缘处的流动堵塞造成影响。

整机环境下离心压气机叶轮流固耦合不确定性量化分析

针对流固耦合不确定性量化计算中精度和成本难以有效平衡的问题,从某涡轮增压器离心压气机双向流固耦合计算出发,提出了考虑叶片热态变形和蜗壳非对称影响的离心压气机内流场计算简化模型,并结合集成代理模型和蒙特卡罗方法,开展了整机环境下离心压气机叶轮流固耦合的不确定性量化分析。数值结果表明:在保证计算精度的前提下,相较于整机流固耦合模型,提出的简化模型将计算时间缩短了83%~98%;材料属性不确定性对叶轮效率的影响大于转速不确定性,密度、泊松比和弹性模量3种不确定性因素对叶轮效率的影响程度相当,转速对叶片热态变形不确定性的影响程度在转速不确定性中最为显著;叶片热态变形不确定性对叶轮效率的影响主要体现在效率均值的变化,而与热态变形无关的转速自身、叶轮出口非对称流场等不确定性因素对叶轮效率的影响主要体现在分散度的变化。研究工作突显了流固耦合分析在离心压气机不确定性量化分析中的必要性,为今后开展鲁棒优化设计提供了理论基础。

次级叶轮进口直径变化对多级离心泵水力性能的影响

为了提高多级离心泵的水力效率,以次级叶轮的进口直径为优化对象,保持叶片型线的方格网不变,共设计了5组具有不同进口直径的水力优化方案,基于RNG k-ε湍流模型进行定常数值计算,探讨次级叶轮进口直径的变化对多级离心泵水力性能的影响。结果表明:在一定范围内减小叶轮进口直径,能够降低叶轮的扬程与轴功率,但扬程减小的幅度有限,最低扬程仅比最高扬程减小了0.64%,而轴功率的降低幅度比较明显,最小轴功率比最大轴功率降低了1.90%,最终可使叶轮的水力效率提高1.29%,多级离心泵次级叶轮的进口直径存在最佳值,能使泵的水力效率相对较高。

离心叶轮失速涡结构演化与耦合特征研究

为深入解析离心压气机旋转失速的涡流耦合演化机理,基于Eckardt离心叶轮全通道非定常数值模拟数据,利用涡系识别法和傅里叶频谱分析等方法研究了失速工况下叶轮中关键涡流结构的空间分布特征及非定常演化规律,发现失速流场同时存在两类涡流结构:叶片前缘龙卷风涡和叶顶泄漏涡,两类流动结构交替演化、相互作用,形成了以63%叶轮转速周向传播的失速团,促使离心叶轮失速。具体体现为:叶顶泄漏涡形成并发展,裹挟、牵引叶片前缘分离涡从叶顶开始剥离,直至完全从叶片吸力面脱落。脱落后的分离涡沿周向运动,受到叶片阻挡产生溢流,该溢流流体在叶片压力面与吸力面横向压差的作用下演变为龙卷风涡,该龙卷风涡在周向运动过程中被叶片“截断”为两段而后向下游扩散并逐渐耗散消失。之后新的叶顶泄漏涡又逐渐兴起,形成下一个涡流演化周期。两种涡结构此消彼长、周而复始,共同构成了失速演化特征。

钛合金离心叶轮多工艺状态下的疲劳特性研究

离心叶轮叶片的疲劳强度是叶轮叶片表面完整性各特征量的综合作用结果,不同工艺参数的叶片表面完整性状态也不相同,带来不同的疲劳特性。本文重点研究精密切削和喷丸强化对钛合金(TC11)离心叶轮叶片疲劳特性的影响规律,根据不同工艺状态下叶轮叶片疲劳强度试验反馈数据,开展基于离心叶轮结构特征的形性优化设计,并通过振动疲劳试验,采集循环次数3×10^(7)的叶轮叶片疲劳强度值,试验结果表明优化设计后的叶轮叶片疲劳强度提升15%,对新研型号的离心叶轮加工参数优化和结构设计优化具有重要指导意义。

清水离心泵再制造叶轮优化设计方法研究

针对广泛存在的数量众多、效率低下、结构陈旧、面临淘汰的离心水泵,探寻其叶轮再制造优化设计有效途径。基于ANSYS workbench联合CFturbo,提出一种叶轮参数化仿真建模和叶轮优化设计的方法,借助ANSYS workbench响应面优化模块,以扬程不小于原始泵为约束条件,效率为目标函数,采用拉丁超立方抽样方法设计41组实验,建立响应面代理模型,并采用MOGA算法对低比转速离心泵进行寻优。研究结果表明,该方法应用于某一低比转速离心式水泵,在其扬程不变的条件下,效率提高了2.11%,对清水离心泵叶轮再制造优化设计、提高离心泵运行效率有一定的参考价值。

离心泵叶轮叶片安放角变化规律对性能的影响

为研究离心泵叶轮叶片的安放角变化规律对性能的影响,以某离心泵为对象,采用数值模拟方法分析了不同工况下不同叶片安放角分布规律的离心泵对性能、内流场和叶片表面静压力的影响。结果表明:当从叶片安放角自进口至出口为线性分布规律时,离心泵整体性能较优;当叶片安放角的最大位置由叶片进口往出口移动时,扬程不断增大。并且在叶片前半部分安放角和叶片做功能力呈正相关性,叶片后半部分的做功能力对叶片性能起主导作用。

混装不同叶轮的多级离心泵驼峰性能研究

针对多级离心泵小流量区域的扬程易产生驼峰、运行不稳定的问题,提出了一种不同水力的叶轮进行混装的改进方案,并通过对比试验对改善扬程驼峰的有效性进行了验证,结果表明:通过叶片数为5、出口宽度为23.7 mm的A叶轮与叶片数为3、出口宽度为33.6 mm的B叶轮进行混装,较好地改善了多级离心泵小流量区域的扬程驼峰;效率为76%的A叶轮与效率为75%的B叶轮混装后泵效率为75.7%,不会因改善驼峰而牺牲泵的效率;相较传统的通过改变单个叶轮水力模型的叶片数、叶片出口角、叶轮出口宽度等参数来改善扬程驼峰的方法,更加方便灵活,且不会因改善驼峰而牺牲泵的效率。研究结论可为改善多级离心泵扬程驼峰的设计方法提供参考。

开式燃油离心叶轮汽蚀特性非定常仿真及分析

为了明确开式燃油离心叶轮汽蚀特性的非定常演变规律,在不同进口压力下进行汽蚀非定常仿真,重点分析叶轮及蜗壳关键流动区域内非定常流动特点、气液两相分布特点及压力脉动时频特性。确定汽蚀非定常仿真边界,对不同仿真步长及汽蚀模型进行相关性检验。将数值仿真预测结果与其性能试验结果对比,结果表明扬程和效率最大误差均小于5%,即所采用的仿真方法有效。仿真结果表明:不同进口压力下,叶轮进口区域均会产生一定的空化区域,而低进口压力下该区域会发生扩张,从叶片吸力面延伸至相邻叶片压力面,并逐渐扩展至叶片出口区域。另外,叶轮流道内主频为转频f_n,汽蚀的产生影响了进口区域的压力脉动幅值,仍会存在一定的非定常强度;部分位置出现了其他倍频,而蜗壳流道内主频仍为叶频fb。

切割叶轮尺寸对单叶片离心泵性能影响

采用实验和CFD模拟计算两种方法对3种尺寸单叶片泵叶轮进行了研究,讨论了单叶片泵的直径变化对其性能参数的影响。实验在水力机械实验室进行,通过CFD计算验证了实验结果,通过CFD对最佳效率点(BEP)附近的水力参数进行模拟计算,结果表明,当叶轮直径变化达到88.6%时,最佳效率点(BEP)的变化规律是明显的。为预测单叶片离心泵最佳工况点的变化和创建型谱图提供了重要理论依据。

离心泵双吸叶轮断裂分析与结构改进

某离心泵双吸叶轮使用不到半年就出现裂纹情况,基于ANSYS Workbench中的流场分析及静态结构分析方法对叶轮进行流固耦合分析。计算结果表明,该叶轮断裂原因为在介质流体力作用下叶片与盖板交接位置产生应力集中,该处应力较大不满足叶轮强度要求。在不影响水力性能的前提下对叶轮结构进行改进,结构大幅减小应力集中现象,避免叶轮断裂发生。

叶轮不同弧盘结构对离心通风机使用性能的变化分析

离心通风机作为煤矿开采等广泛使用的通风设备,其使用性能对通风效率具有重要的影响。叶轮作为主要的构件,其结构形式对离心通风机的性能具有重要的影响。采用仿真模拟的方式对不同叶轮弧盘结构的通风机全压系数、效率及静压系数进行分析,从而为通风机的设计使用提供参考。

离心式空压机叶轮轮盘开裂原因

某离心式空压机叶轮轮盘发生开裂并有残块脱落,采用宏观观察、化学成分分析、扫描电镜及能谱分析、金相检验、硬度测试等方法对轮盘开裂的原因进行分析。结果表明:轮盘与叶片圆角表面的冲蚀坑为裂纹源,在离心力和S^(-)、Cl^(-)腐蚀性阴离子的共同作用下,轮盘发生沿晶型应力腐蚀开裂现象;材料中存在粗大的过热组织,且其强度和硬度较大,促进了轮盘发生应力腐蚀开裂。

叶轮前盘型线对矿用离心通风机性能的影响研究

离心通风机在煤矿中应用非常广泛,叶轮前盘线型会对设备性能产生重要影响。首先对离心通风机叶轮结构进行概述,利用SolidWorks和ANSYS软件建立了离心通风机的数值模型,设计了四种典型的叶轮前盘型线,对四种结构的全压系数和效率进行综合对比分析,认为前盘型线Ⅲ最具优势。基于试验方法对前盘型线Ⅰ和Ⅲ的性能进行验证,发现试验结果有效验证了数值模拟结果,前盘线型Ⅲ有最优的性能,特别是在高流量工况条件下,性能优势更加明显。

基于多岛遗传算法的离心压缩机叶轮结构优化研究

为保证离心压缩机的稳定运行,以水利工程离心压缩机使用的叶片钢叶轮为例,提出基于多岛遗传算法的离心压缩机叶轮结构优化方法.采用三阶Bezier曲线对叶轮叶片的进出口安放角以及叶片包角等参数进行设计;利用CFD软件构建叶轮的计算域以及模型,对叶轮结构模型进行相关条件假设和处理后,完成模型计算;定义重量最轻、扬程最大、水利效率最高为叶轮结构优化目标函数,结合等效应力、轴向变形约束条件,通过多岛遗传算法优化叶轮结构参数.试验结果满足叶轮结构优化的约束条件.

石油化工企业离心泵振动与叶轮结构湍流分析

通过使用数值湍流模型来模拟具有6个扭曲叶片的离心泵叶轮的内部流动情况。在入口边界指定了不同的流速来预测泵的特性,对设计负荷Q和非设计负荷0.43Q、1.45Q下的结果进行详细分析。从数值模拟中可以看出,研究部位叶轮通道流动平稳,并遵循叶片的曲率变化规律,但涡壳内的流动模式发生了明显变化,形成了双涡流结构,在涡壳扩散器处慢慢演变成单涡流结构。就压力分布而言,叶轮通道内的压力沿流向逐渐增加。当离心泵在非设计流量条件下运行时,叶轮通道和涡壳中出现了不稳定的流动。