大流量农业灌溉泵转子动力学特性研究

灌溉是保障农业稳定发展的手段,随着现代农业的发展,对灌溉水泵的需求日益增加。大流量灌溉泵因其独特的工作环境和要求,它的叶片通常具有扭曲度大和宽等特点。作为转子系统中重要的部分,叶轮及转子部件的变形与强度对灌溉泵整个系统的安全性能和效率都有很大影响。以大流量灌溉泵为研究对象,使用Ansys-Workbench软件对其大流量区进行有限元研究,对转子部件分别进行变形与强度分析和模态分析。结果表明,在流量为500 m^(3)/h时,叶片受最大等效应力为23.83 MPa,此时出现叶片最大形变值为0.341 mm,最大变形区域都出现在叶片边缘处。大流量工况下,对比不同流量工况的各阶固有频率,在各阶振型中流量大小与转子系统的固有频率没有显著关系,但不同材料明显地影响大流量灌溉泵的转子的固有频率。

基于无线传感网络的水泵振动状态监测系统设计

针对传统的振动状态监测系统布线复杂、信号干扰等问题,提出一种新型基于无线传感网络的水泵振动状态监测系统。选用NKG65-50-125/139型单级单吸离心泵为研究对象搭建试验泵系统,分别采用传统的有线振动状态监测系统与该设计的无线振动状态监测系统来对该离心泵进行试验。该设计的无线监测系统通过对水泵监测点的水平、垂直、轴向三个方向进行振动信号采集,从而得到振动信号的位移峰峰值和振动烈度值,再利用WiFi技术上传安卓上位机,与传统的有线振动采集监测系统的试验结果进行对比分析,发现两组结果整体变化趋势基本一致,数值变化都呈随着流量的稳定而逐渐减小趋势,具体数值大小差距不大。试验数据表明,所设计的无线振动状态监测系统可以满足对水泵振动监测的需求,并可取代传统的有线振动状态监测系统。

耦合几何参数与载荷参数的混流泵优化

为进一步提升混流泵优化效果,并探究几何参数和载荷参数与导叶式混流泵能量特性间的响应关系,该研究结合正交试验与数值模拟,对比转速为511的导叶式混流泵叶轮开展参数优化研究。在试验验证数值模拟准确性的基础上,采用反问题设计方法,以0.85Qdes和1.15Qdes(Qdes为设计流量)处泵段水力效率为优化目标,以1.0Qdes处泵段扬程为约束条件,耦合轴面投影几何参数与流线方向载荷参数进行混流泵参数设计。研究结果表明:几何参数Lh和LS(前缘与轮毂及轮缘交点的X轴坐标)与载荷参数Kh、LEs、NCs和Ks(轮毂处中间直线斜率、轮缘处前缘载荷、轮缘处第一加载点横坐标和轮缘处中间直线段斜率)均对混流泵能量特性具有较大影响,在优化设计中均应被重点考虑;与原始模型相比,优化模型在叶轮出口附近具有更加合理的流场分布,可有效减少叶轮下游部件水力损失,其在0.85Qdes和1.15Qdes处的泵段效率分别提升了0.90和2.25个百分点。研究方法可为涡轮机械的参数化优化节约计算资源、最大化优化效果提供参考。

基于变环量设计的混流泵叶轮多工况优化

由于外部运行条件频繁变化,混流泵常于非设计工况运行,导致其运行效率偏低。针对混流泵开展多工况优化以扩大其高效区范围具有重要意义。采用环量法,以轮毂及轮缘处流线方向环量的偏导数(载荷)、叶轮出口处翼展方向环量控制参数以及叶片尾缘倾角为设计参数,以设计点扬程为约束条件,以0.8、1.2倍设计点处效率为优化目标,结合实验设计、近似模型和优化算法对一导叶式混流泵叶轮进行变环量优化与分析。研究结果表明:变环量设计在混流泵叶轮的多工况优化中是有效的;轮毂处流线方向前加载,轮缘处流线方向后加载,叶轮出口处环量从轮毂到轮缘递增分布均有利于混流泵性能的提升;优化后混流泵模型在0.8、1.0、1.2倍设计流量处泵段效率分别为81.11%、88.38%和80.56%,在设计流量处扬程为12.33 m,相比于原始模型,效率分别提升0.63、3.18、6.72个百分点,而扬程变化小于2%。因此,所提出的基于变环量设计的混流泵叶轮多工况优化方法是有效的,可以为同类型叶轮机械的设计优化提供参考。

“干态”下的悬臂式多级离心泵响应性能研究

悬臂式多级离心泵被广泛应用于国民经济的各个领域,鉴于其独特的结构形式,其振动相关研究十分重要。采用数值模拟的方法,重点分析了“干态”下悬臂式多级离心泵的响应性能。研究表明,随着不平衡力矩增大,泵体的振动幅度越大,尤其是泵启动后2.6~3.0 s内径向位移的不稳定突变明显。基于SAMCEF谐响应分析,发现二阶振型为扭转耦合振动,首级叶轮在二阶临界转速时的响应幅值随不平衡质量相位变化影响较大。当首级叶轮不平衡质量相位为180°时,螺母与首级叶轮的一阶加速度以及位移幅值达到最小。因此,通过提高零件的加工精度减小零件的不平衡力矩以及错开各级叶轮不平衡质量的相位可以减小转子径向振动,从而提高悬臂式离心泵的运行稳定性。

等截面和变截面通道硅基微型脉动热管传热特性比较

为了解截面结构对微型脉动热管传热性能和内部工质流动特征的影响,采用可视化和温度测量的方法对比研究了等截面和变截面硅基微型脉动热管内的工质运动和传热特性。实验工质为R141b,充液率为40%～60%。实验结果发现,变截面通道结构的设计不仅有利于降低微型脉动热管的热阻,提高其传热能力,同时可有效改善其启动性能。随着充液率的增大,该优势更加明显,当充液率约60%时变截面微型脉动热管的启动功率和启动蒸发段平均温度比等截面热管分别下降约0.4 W和17.3℃。另外,因变截面结构而形成的附加毛细作用可使微型脉动热管内工质发生短暂定向运动,而在等截面热管中则未观察到上述现象。

环量分布对基于反问题设计的混流泵优化结果的影响

为定量研究叶轮出口环量分布对导叶式混流泵优化结果的影响,该研究在试验验证数值模拟准确性的基础上,以反问题设计为基础,结合最优拉丁超立方抽样法,径向基神经网络模型和多岛遗传算法,以0.8Q_(des)、1.0Q_(des)和1.2Q_(des)处泵段加权效率为优化目标(Q_(des)表示设计流量),以1.0Q_(des)处扬程变化小于3%为约束条件,在自由涡设计(叶轮出口环量恒定分布)和强迫涡设计(叶轮出口环量线性变化)两种不同方案下分别对比转速为511的导叶式混流泵叶轮进行参数化优化,并对优化结果进行对比分析。研究结果表明:以轮毂处环量值作为翼展方向环量分布控制参数,结合连续性方程、能量方程和径向平衡方程,对叶轮出口处环量分布进行计算是可行的;局部敏感性分析表明环量控制参数对优化结果具有较大影响,在优化设计中应该被考虑;自由涡设计优化结果的加权效率为84.14%,而在强迫涡设计中该加权效率为85.08%,且两者扬程均满足约束条件,内流分析表明强迫涡设计中效率的提升主要由叶轮出口附近流态的改善引起。研究结果可为同类型涡轮机械的优化设计提供参考。

对旋轴流式喷水推进器内部流动数值模拟与分析

在喷水推进器运行时,不考虑改变喷口直径以及转向装置,只有转速以及航速变化对喷水推进器内部流动产生影响.基于计算流体力学方法,以对旋轴流式喷水推进器为对象,并在进水流道底部加入计算所需流场控制体.使用SST湍流模型,对喷水推进器进行相同转速不同航速、相同航速不同转速下的全流道数值模拟,得到首级叶轮进口处、首次级叶轮轴向间隙、次级叶轮出口处和喷口处截面速度与压力分布,从而分析比较推进泵转速以及推进器航速对喷水推进器内部流场的影响.结果表明:航行速度对喷水推进器内部尤其是首级叶轮前后流动产生显著影响,流道内速度变化较大;首级叶轮进口处底部速度最大且对后续流动有影响;在航速不变时,速度分布基本相同,仅在数值上有所变化,单独改变转速并未对喷水推进器内部流动产生较大影响,增加转速使得推进器内部流动趋于稳定;流体流经次级叶轮后,速度与压力分布具有规律性,推进器航速及喷泵转速均不会对其产生较大影响.