叶片包角对低比转速离心泵固液两相非定常流动的影响

为了探索叶片包角在固液两相流下对低比转速离心泵非定常特性的影响,利用ANSYS CFX软件采用Mixture多相流模型对4种不同叶片包角离心泵的固液两相湍流进行了非定常数值模拟,分析了叶片包角对离心泵瞬时扬程、压力及压力脉动的影响。研究表明:随着叶片包角的增大,瞬时扬程会降低,并且降低速度越来越快;叶片包角每增大10°,瞬时扬程的波动时间延迟0. 000 52 s。随着叶片包角的增大,叶片工作面与叶片背面的压力会降低。叶片包角每增加10°,固液两相流时离心泵的压力脉动时间均向后延迟0. 007 s。不同包角下的主要脉动幅值均出现在转频处。颗粒浓度为0. 02和0. 05时,压力脉动最小值均出现在叶片包角值为140°时;当颗粒浓度为0. 1时,脉动幅值随着叶片包角的增大而减小,叶片包角从130°增加到160°时,此时的压力脉动受到叶片包角的影响最为严重,脉动幅值减小了14. 52%。因此,在高颗粒浓度下适当增加叶片包角可以改善固液两相离心泵的压力脉动。     

低比转速多级泵间隙尺寸改变对内部流场及其性能的影响

为研究低比转速多级泵间隙尺寸的改变对内流场及其性能的影响,应用CFX软件对带间隙模型泵进行数值模拟,设计了12个间隙组合模型,分析了泵的外特性、间隙泄漏量、叶轮出口与导叶进口速度压力的变化规律。结果表明,随着间隙尺寸的增加泵扬程和效率均有所下降;叶轮口环的泄漏来自遭到撞击改变方向的叶轮出口流体,导叶口环的泄漏来自次级叶轮进口的流体;间隙对泵的影响程度依次为叶轮口环导叶口环叶轮与导叶的运转间隙;叶轮出口流出的液体进入导叶时极大地阻断了叶轮泵腔之间与叶轮导叶轴向间隙的流体交换。数值模拟结果较估计值仍然偏高,数值模拟对单一模型的准确度有待商榷,说明多组模型对比十分必要。研究成果为进一步深入分析奠定了基础。     

叶片数对离心泵瞬态空化特性的影响

为研究叶片数在离心泵设计工况下对瞬态空化特性的影响,基于SST k-ω湍流模型和Zwart空化模型,以3种叶轮叶片数的离心泵为研究对象对其内部空化流动进行三维非定常数值模拟。结果表明:对于3组不同叶片数(Z=4、5、6)的叶轮,随着叶片数逐渐增加,离心泵扬程增加,但效率无明显差异;不同叶片数离心泵的空化特性曲线不同,临界空化点压力以及扬程断裂值不同,3种叶轮方案在无空化时的扬程分别为44.8、41.8和39.2 m,扬程断裂的相对值分别占其扬程的27%、25%、32%,即Z=5的叶轮离心泵扬程下降最少;在叶轮的一个旋转周期内,随着时间的增大,Z=4的空泡体积逐渐增加,Z=5和Z=6的空泡体积逐渐减小;叶片数较少时,叶轮流道内相对轴面漩涡运动剧烈,流体的绝对速度降低,造成泵压头的衰减,加速空化发生。     

蜗壳进口宽度对离心泵非定常性能的影响研究

为分析蜗壳进口宽度对离心泵非定常性能的影响,以一台比转速为126的离心泵为研究对象,采用ANSYS CFX软件的标准k-ε湍流模型对同一叶轮、不同蜗壳进口宽度(56、63、66.5和70 mm)时,不同流量工况(0.8～1.2设计流量)条件下泵的外特性、内部流场以及压力脉动进行研究。结果表明:在设计流量下,适当改变蜗壳进口宽度对离心泵的扬程、效率影响不大;但随着蜗壳进口宽度的增大,蜗壳隔舌处的湍动能增大并向扩散段延伸;同时,蜗壳隔舌处压力脉动的压力值增大了4.2%,压力脉动幅值增大了3.4倍。设计时为提高中比转速离心泵的综合性能,应取蜗壳进口宽度为叶轮出口直径的1.8倍。     

叶片厚度分布对两级离心泵空化性能的影响

针对叶片厚度分布对两级离心泵空化性能的影响,通过对第一级叶轮叶片的厚度分布进行优化,研究其对泵外特性、压力脉动以及流体激励力的影响。结果表明：采用线性厚度分布的对称叶片时,前缘厚度对空化性能的影响最大,叶片越薄,泵的抗空化能力越强;随着尾缘变厚,压力脉动幅值向叶轮进口方向偏移,且随着叶片厚度减小,压力脉动幅值相应减小。第一级叶轮流道内的压力脉动主频为干涉叶频,保留高幅低频的宽频特征,所受空间三向力的脉动主频为2倍叶频,轴向力较小,脉动幅值较低,径向力的主要信号成分是叶频和2倍叶频。     

导叶叶片数对离心泵特性的影响

在比转速n_s=71的离心泵研发过程中,针对叶片数z=5的叶轮,为选择适宜叶片数的导叶,采用CFX软件对单级研发泵进行非定常数值模拟研究,分析了不同工况下导叶叶片数分别为6、7、8时泵的外特性、压力脉动和叶轮径向力,针对小流量工况径向力的较大差异,进一步对比了叶轮内流场。结果表明,减少导叶叶片数可提高较大流量工况的扬程和效率,但可能导致小流量扬程下降;小流量区间导叶叶片数对压力脉动的影响较为复杂,而较大流量工况增加导叶叶片数有益于改善压力脉动;此外,导叶叶片数越多,非额定工况的叶轮径向力越小,特别是在小流量工况,增加导叶叶片数提高了叶轮流场的均匀性,径向力缩小约4倍。最终对整体性能较优的7叶片导叶进行排产和试验,其中扬程计算误差不超过5.9%,表明数值模拟结果具有一定精度。     

提高超低比转速离心泵效率的方法

针对轴封、轴承、叶轮圆盘摩擦引起的机械损失及泵内水力损失、容积损失导致超低比转速离心泵效率低的问题,提出了尽可能提高水泵转速、选择较大的叶片出口安放角、增大叶片出口宽度、适度增加泵体喉部面积、采用长短叶片相结合的复合式叶片等5种方法可有效提高超低比转速离心泵效率,并采用试验模拟方法验证了复合式叶轮泵效率(49.49%～54.14%)比4叶片普通叶片泵效率(43.80%)提高了5.69%～10.34%,节能效果显著.     

叶片包角对高比转速离心泵固液两相非定常特性的影响

为了分析叶片包角在固液两相流下对高比转速离心泵非定常特性的影响,采用ANSYS CFX软件和Mixture多相流模型对5种不同叶片包角离心泵的固液两相流进行了非定常数值模拟,分析了叶片包角对固液两相流离心泵瞬时扬程、压力脉动及径向力的影响。研究表明:随着叶片包角每增大10°,固液两相流离心泵的瞬时扬程有所降低,波动时间会延迟0.001 s;流道内及隔舌处的压力值越来越小,脉动幅值越来越大,压力波动时间向后延迟0.001 s;叶轮上的径向力会增大,隔舌处的径向力会减小,受力方均向顺时针偏转;不同包角下的固液两相流离心泵叶轮流道内的压力脉动主频均出现在转频处,隔舌处的压力脉动主频出现在叶频处。其中,叶片包角φ=120°是叶轮流道内压力值和压力脉动幅值增减速度快慢的分界点,也是隔舌处的压力脉动幅值最小值点。     

叶片包角对低比转速离心泵固液两相流动的影响

为了探索叶片包角对低比转速离心泵固液两相流动的影响,采用Mixture多相流模型,利用CFX对4种不同叶片包角的低比转速离心泵进行了固液两相湍流数值模拟,分析了固液两相流中颗粒体积分布规律及速度变化规律。研究表明,在相同的泥沙含量条件下,随着叶片包角的增加,效率有所上升,叶片包角在φ=150°时效率达到最优;同时,随着叶片包角的增加,固体颗粒有从叶片工作面向叶片背面迁移的趋势,叶片工作面上的固体颗粒主要聚集在叶片高度的0.035 2处,叶片背面上的固体颗粒主要聚集在叶片出口处;随着包角的增大,叶轮内的固液两相速度差越来越小,流动更加均匀;叶片背面的固相速度在φ=160°、叶片高度为0.03时最大,为15.2m/s。     

离心泵圆柱形叶片的变角螺旋线绘型方法研究

变角螺旋线型线因包角可控被广泛应用于低比转速离心泵圆柱形叶片的绘型中。变角螺旋线型线在选用过程中,因包角取值不同,叶片安放角沿叶片半径会呈现出不同的变化规律。以某一叶轮叶片参数为例,通过分析叶片安放角和曲率半径随叶片半径的变化趋势,发现在包角选取不当的情况下,采用传统变角螺旋线型线绘制的叶片型线,其叶片安放角在进口处会发生突变。为解决此问题,通过改变叶片安放角函数提出一种与传统变角螺旋线方程互补的新型变角螺旋线方程,丰富了离心泵圆柱形叶片的绘型方法。     

叶片进口边位置对小流量工况下离心泵空化特性的影响

为研究叶片进口位置对小流量工况下离心泵空化性能的影响,应用数值计算方法模拟了比转数为81的离心泵的三种模型,得到不同进口边位置的离心泵空化特性,并分析了叶轮内部流场与空化性能曲线的影响关系。结果表明,在小流量工况下,低比转速离心泵叶片进口边位置越靠前,抗空化性能较好,但严重空化后扬程衰减更快,流道直接被空泡堵塞,流道和叶片表面气泡分布较均匀,且气泡充斥流道速度较快,气泡体积分数各流道差值越小。相比较而言,叶片进口位置越靠后,气泡在流道内部和叶片背面分布不均匀,易出现噪声和振动,但在断裂空化状态,气泡并未完全堵塞流道,扬程下降速度较慢。整体来看,在小流量工况下,叶片进口边位置越靠前,离心泵的抗空化性能较好,并通过试验研究验证了模拟结果的可靠性。研究成果可为小流量工况下低比转速离心泵抗空化性能的优化提供参考。     

高比转数双吸离心泵叶轮切割内部流场数值模拟

为深入分析叶轮切割对高比转数双吸离心泵内部流动状况及性能的影响,采用数值方法对三台高比转数双吸离心泵进行了叶轮切割研究,对每台泵所装叶轮均进行4次切割;预测得到了泵的H-Q、η-Q、P-Q特性曲线与内部流场压力、速度等参数的分布云图及其随叶轮切割的变化情况,根据性能预测结果得到了最优工况下叶轮的切割指数。结果表明,当叶轮逐步切割时,泵的流量、扬程、轴功率均逐步降低;切割量较小时,泵的效率基本不变;随着切割量的增大,泵的效率开始下降,当切割量达到15%时效率下降明显;随着叶轮直径的逐步减小,泵内部压力场及速度场分布不均匀性增加;由数值计算所求得的切割指数与传统切割公式中的切割指数存在不一致性。     

叶轮出口宽度对离心泵内部非定常性能的影响

为了研究多工况下不同叶轮出口宽度对离心泵非定常性能的影响,基于RNG k-ε湍流模型对叶轮出口宽度分别为11、12、13、14和15 mm的离心泵模型分别在0.8Q_d、1.0Q_d、1.2Q_d三种流量工况下进行定常和非定常的数值模拟,得到离心泵的外特性曲线、内部流场以及压力脉动特性,并进行对比分析。结果表明:离心泵的扬程随叶轮出口宽度的增加而增加,存在一个最佳的叶轮出口宽度使其效率最佳且最佳效率点向大流量点偏移;随着叶轮出口宽度的增加,叶轮截面的最大压力值呈先增加后减小再增加的趋势,小流量工况下的湍动能较大区域随叶轮出口宽度的增加由叶轮流道出口向叶轮流道中间发展;各监测点的压力脉动均呈周期性变化,压力系数随流量的增大而增大,在设计和大流量工况下,当叶轮出口宽度为13 mm时压力脉动幅值明显小于其他型式的叶轮,因此适当增大叶轮的出口宽度有利于减小离心泵的压力脉动、提高其性能。     

离心泵内部非定常数值模拟与压力脉动研究

利用雷诺时均方程、双方程湍流模型并结合SIM-PLEC算法对离心泵内部三维不可压湍流场进行数值模拟,得出其内部的压力分布及监测点的压力脉动情况,在模拟的基础上,进行了外特性试验,试验证明了模拟结果的正确性。研究表明:由于蜗壳的非对称性使离心泵内部流动具有非对称及非定常特性,压力以叶片旋转频率发生周期性变化;额定流量时,监测点的压力波动幅度比偏工况时脉动幅值要小。     

叶片进口安放角对离心泵性能影响

为全面了解进口安放角对离心泵性能的影响,在型号为DFG150-9离心泵叶轮水力模型基础上添加正负冲角,获得6组叶片模型,利用RNGκ-ε模型考虑湍流影响,采用均质多相模型和Rayleigh-Plesset方程考虑空泡生长和溃灭,对6组模型进行三维定常湍流数值模拟,并对效率、扬程和空化余量等进行预测和对比分析。结果表明,添加负冲角,泵效率下降很多,效率曲线向小流量方向偏移,且加速泵抗空化性能恶化;添加0°～15°冲角,所加正冲角越大,小流量区效率越低,大流量区效率越高,且效率曲线向大流量方向偏移,对泵空化性能影响不明显;当正冲角添加至20°时,泵抗空化性能急剧下降,泵效率下降很多。     

颗粒浓度对高比转速离心泵非定常特性的影响

为了分析颗粒浓度对高比转速离心泵非定常特性的影响,采用Mixture混合多相流模型,利用CFX软件进行数值模拟,分析了不同颗粒浓度时的瞬时湍动能、压力脉动及径向力。研究表明:随着颗粒浓度的增加,效率有所下降,清水条件下的离心泵效率最优;随着颗粒浓度的增大,叶轮内的瞬时湍动能明显增强,叶轮流道内及隔舌处的压力值均减小,脉动幅值均增大,作用在叶轮上的径向力会增大,而作用在隔舌处的径向力会减小;在不同颗粒浓度下,叶轮流道内的压力脉动主频均出现在转频处;隔舌处的压力脉动主频出现在叶频处;叶轮流道内、隔舌处的压力值和压力脉动幅值增减速度快慢的分界点和叶轮上、隔舌处的径向力增减速度快慢的分界点均在颗粒浓度为1%附近。     

如何拓宽离心泵的使用范围

本文叙述了改变离心泵的转数和切削叶轮,可以拓宽离心泵的使用范围,并提出了转数改变与切削的标准,达到省时间与省投资的目的。