带诱导轮离心泵的数值模拟

该文系统总结了离心泵空化产生的原因,改进的方法。重点分析了诱导轮在改进离心泵空化特性的独特作用,对诱导轮和离心叶轮结构和性能配合进行了研究。并对同一离心泵叶轮分别加装一级诱导轮、两级诱导轮和三级诱导轮进行了对比分析。经过对比分析表明诱导轮在改进离心泵空化性能方面效果明显。     

前置轴流叶轮对离心泵汽蚀性能的影响

随着离心泵向高转速化发展,离心泵的汽蚀性能成为其稳定运行的重要因素。本研究在离心轮前安装一种特殊的轴流式叶轮以提高离心泵的抗汽蚀性能。轴流式叶轮的水力设计采用升力法,设计完成后用PUMPLINX软件对装有轴流式叶轮的离心泵进行数值模拟,模拟结果表明:装有轴流式叶轮的离心泵其性能参数符合设计要求,且临界汽蚀余量显著降低到安全范围内。最后对此泵做性能试验和汽蚀试验,试验后把试验结果与装有常规诱导轮的离心泵的试验结果进行对比,结果表明,在此次研究中,装有轴流式叶轮做诱导轮的离心泵其性能与汽蚀特性均符合设计要求,并且很好地改善了装有常规诱导轮的离心泵此前在结构上的问题。     

诱导轮和离心泵叶轮内部空化流动数值分析

为了提高诱导轮离心泵的空化性能和运行稳定性,阐明诱导轮和离心泵叶轮几何参数对空化性能的影响规律,基于空泡可压缩性影响修正的RNG k-ε模型和改进的空化模型,对诱导轮和离心泵叶轮内部流场进行空化数值计算。数值结果表明:在小流量工况和额定工况下,空化性能曲线基本一致;在大流量工况下,空化特性曲线波动相对比较严重,空化性能较差。额定流量下泵蜗壳水力损失最小,小流量工况下蜗壳水力损失最大。临界汽蚀余量时,蜗壳水力损失突升。无空化条件下,随着前口环间隙值的增大,诱导轮扬程、效率和前口环间隙泄漏量增大,泵和叶轮的扬程、效率值降低,泵的空化特性曲线的稳定性变差,使诱导轮叶片出口液流角发生偏转,导致诱导轮和离心泵叶轮内部产生周期性的交变空化流。     

诱导轮叶片参数对大流量离心泵汽蚀性能的影响

诱导轮作为离心泵的重要辅助部件之一,对水泵汽蚀性能的改善有重要作用。针对某大流量离心泵汽蚀性能不佳的问题,采用响应面分析和数值模拟的方式,对该离心泵的诱导轮叶片参数进行了优化,探究了诱导轮导程、叶片厚度和叶片数对大流量离心泵汽蚀性能的影响规律。首先,构建了大流量离心泵的仿真模型,对其进行了外特性计算,将计算结果与试验结果进行了对比,对仿真结果的可靠性进行了验证;然后,根据诱导轮扬程与泵汽蚀性能呈正相关的规律,以诱导轮的叶片参数(导程L、厚度T、叶片数Z)为变量因素,以诱导轮扬程最大为优化目标,对诱导轮进行了响应面计算分析,得到了响应面优化后的诱导轮叶片参数,并对比分析了优化前后诱导轮的扬程;最后,针对诱导轮优化前后的离心泵,在不同工况下进行了叶轮汽蚀情况和临界汽蚀余量对比分析。研究结果表明：叶片导程对诱导轮扬程的影响不大,而减小叶片厚度、增加叶片数可以大幅提高诱导轮扬程;额定工况下,经响应面优化后的诱导轮扬程提高了0.6 m,泵的临界汽蚀余量相比原型泵降低了0.15 m。该结果可以为大流量离心泵诱导轮的优化设计提供理论参考。     

用实验方法确定诱导轮的最佳流量系数

一、引言为了最有效地改善离心泵的汽蚀性能,可以在离心叶轮前同轴设置一个诱导轮。诱导轮是一个叶片负荷(升压)很小的类似轴流式的叶轮,关于诱导轮流体动力和汽蚀性能的文献甚多,二、三十年来,各国的工业界及航天火箭研究系统对于诱导轮的汽蚀现象进行过大量的研究,尤其是对诱导轮汽蚀系数的研究。由于诱导轮汽蚀系数比较复杂,迄今还没有找到一个比较符合实际的通用关系式。     

叶片进口修缘对离心泵汽蚀性能影响的数值计算与试验研究

为了改善离心泵的汽蚀性能,根据经验,确定了两种叶片进口修缘形式。首先通过原型泵的外特性试验,确定了能量性能和汽蚀性能曲线。基于完整空化模型和混合流体两相流模型,对原型泵运行工况下叶轮内空化流动进行全流道数值计算。预测得到原型泵能量性能和汽蚀性能曲线,与试验曲线吻合良好;同时得到汽蚀发生过程中叶轮流道内空化发展的静态特征,与理论相符。故采用相同的数值分析方法对两种叶片进口修缘后的叶轮进行分析,分析表明：进口修缘后泵的汽蚀性能得到了提高,叶片进口工作面修缘形状越接近流线型,泵的汽蚀性能越好。对较好修缘形式的泵进行试验,得到其能量性能曲线和汽蚀性能曲线,数值分析与试验研究的曲线吻合,修缘后泵的临界汽蚀余量得到改善。研究结果对离心泵汽蚀改善的方法具有一定的指导意义。     

离心泵诱导轮的设计

通过对离心泵汽蚀现象和改善离心泵抗汽蚀性能的几个方案的分析,在不影响正常生产的前提下,设计了两级不同进口安放角的诱导轮以达到不等距诱导轮提高离心泵汽蚀性能的效果。经实际改造后,取得良好效果。     

诱导轮出口螺距对离心泵空化性能的影响

为了查明诱导轮出口螺距对离心泵空化性能的影响,设计了入口螺距相同、出口螺距逐渐增大的三个诱导轮:诱导轮5-5、诱导轮5-8、诱导轮5-11;采用k-ε湍流模型和Singhal空泡动力学模型,对泵内流动进行空化数值模拟,分析了设计工况下离心泵空化断裂特性和气泡分布流场特征。结果表明:相比于等螺距诱导轮5-5,加设变螺距诱导轮5-8及5-11的离心泵在相同进口压力条件下具有更高的扬程和更少的流场内气泡分布,在同一流量工况下具有更低的空化断裂点,在空化断裂点泵扬程分别提高了10.4%和18.6%;变螺距诱导轮保持进口螺距不变,增大出口螺距可以进一步提升半开式叶轮离心泵抗空化性能。     

诱导轮叶片开缝对高速离心泵空化性能的影响

为研究诱导轮叶片表面开缝对高速离心泵空化性能的影响规律,设计叶片开缝系数k为0(叶片未开缝)、6.7%、13.3%、20%和26.7%五种叶片开缝方案。基于RNG k-ε湍流模型和Reyleigh-plesset空化模型对高速离心泵进行全流道三维数值模拟,对比分析了诱导轮截面内流线和压力分布规律、诱导轮内空泡发展过程及离心泵的空化特性曲线。研究结果表明诱导轮叶片入口轮缘处开缝可减小亦或是消除该区域的低压区,且对离心泵的水力性能的影响较小;缝隙可抑制并减小初生空化阶段空泡体积分布;开缝系数k对高速离心泵空化性能的影响存在最优值,该研究中开缝系数k=13.3%时,诱导轮的空化性能表现最优。     

采用环形入口壳体的诱导轮汽蚀性能研究

针对某型号液体火箭发动机离心泵所发生汽蚀问题,在基于SIMPLEC算法上,采用雷诺时均Navier-Stokes方程(简称N-S方程)控制方程、Realizable k-ε湍流模型和mixture多相流模型,对泵环形入口壳体和诱导轮进行汽蚀性能研究。在数值流场计算研究中,分析各部件对诱导轮汽蚀性能的影响,发现诱导轮及环形入口壳体内流场的不对称性降低诱导轮的汽蚀性能。通过合适调整环形入口壳体面积比以及环形入口壳体出口与诱导轮之间的距离,使环形入口壳体出口流场收缩,在加速流中获得较均匀的速度场,改善了诱导轮入口流动参数,提高了诱导轮的汽蚀性能。所采用的改进方法对液体火箭发动机离心泵的研制和优化具有一定的指导意义。     

叶片进口边开孔对离心泵空化和湍动能影响的研究

以某台低比转速离心泵为研究对象,提出了在离心泵叶轮入口处对叶片进行开孔的新方案,基于Realizable k-ε湍流模型和简化的Rayleigh-Plesset空化模型,研究了叶片进口边开孔对离心泵空化和湍动能的影响。对比分析了未开孔和几种不同开孔方案对离心泵性能的影响,计算得出扬程和效率并与实验数据进行对比。结果表明:在叶轮入口处最先产生空化的区域对叶片进行开孔,能够有效抑制离心泵内部空化情况的发生;4×1 mm开孔方案不仅改善了离心泵空化性能,还有助于减小湍动能耗损,使得离心泵内部流场更加稳定。     

诱导轮内流场数值计算及汽蚀特性分析

为得到诱导轮内部的速度场、压力场及湍流场的分布规律,在基于SIMPLEC算法上,采用了雷诺时均Navier-Stokes方程(简称N-S方程)控制方程和修正了的k-ε湍流模型,对两种结构参数的双叶片诱导轮进行了内部三维不可压湍流流动数值计算。计算结果表明诱导轮最容易发生汽蚀破坏的位置在进口外缘处,计算结果还表明增加诱导轮叶片轴向距离及导程有利于提高诱导轮的汽蚀特性。同时进行了不带诱导轮和带两种结构参数诱导轮的离心泵的外特性试验,试验结果表明离心泵在没有诱导轮的情况下较易发生汽蚀,而增加诱导轮能够明显改善离心泵的汽蚀性能,诱导轮的导程、叶片轴向长度、及其叶尖包角几何参数值等几何参数对汽蚀性能有较大影响。结合流场数值计算结果和试验研究结果,证实了通过增加轴向距离和导程等合理改变结构参数可提高诱导轮的汽蚀性能。     

油田用离心泵汽蚀性能的数值分析与试验

为了准确预测油田用离心泵的汽蚀性能,本文使用计算流体力学软件Fluent中的Mixture多相流模型与汽蚀模型相结合对离心泵内的汽蚀现象进行数值模拟,并通过油田用离心泵汽蚀性能试验对数值计算结果进行验证。在验证模拟结果可行的基础上,对离心泵结构及工作参数对其汽蚀性能的影响进行了数值分析,结果表明:叶轮采用6叶片较4和8叶片汽蚀性能更优;叶轮转速越小,离心泵抗汽蚀性能越好;离心泵进口流量越大,抗汽蚀性能越差。     

高速离心泵回流漩涡及空化特性

基于高速离心泵的比转速十分高,通常高速离心泵的进口处和内部是回流漩涡和空化空蚀等现象的高发区域。孔板等空化抑制装置是否能针对回流漩涡起一定的抑制作用的研究还比较少。采用对诱导轮的前置空化抑制装置进行优化,共设计了改变装置前、后倾角等几何参数的25种方案进行数值模拟计算分析。优选出水力性能最好的5种方案并进行了回流漩涡范围和强度的分。其中着重研究了α角度的改变是否会影响相关的的回流速度和压力。同时对高速离心泵诱导轮、叶轮内部空化发生及发展的影响分析。最终确定了-10°/20°和-20°/10°的两个最优方案,在对回流漩涡的强度和影响范围方面表现均优于其他方案;气相体积分数在诱导轮和叶轮的内部分布面积很少,强度较低;设计工况下,相较于0°/0°方案,泵的效率约提高了2%,更好地抑制回流漩涡并提高了高速泵的抗空化性能,为高速离心泵内部空化的优化设计提供一定的参考意义。     

全空化模型预测离心泵汽蚀性能的准确度

文献[2]采用两相流全空化模型计算了离心油泵输送粘油的汽蚀性能,但因缺乏试验数据,故无从知道计算的必需汽蚀余量与其试验值的差别。另外,目前还没有关于利用空化模型预测泵初生空化方面的研究;同时,全空化模型预测离心泵汽蚀性能准确度的评估目前还不多见。因此,本文采用全空化模型预测文献[3,4]的试验离心泵输送水时的汽蚀性能,获得了初生空化系数-流量曲线和扬程-有效汽蚀余量曲线,探讨了泵扬程与叶轮内部汽液体积比的关系以及非凝结气体浓度、紊流模型对扬程-有效汽蚀余量关系曲线的影响。本文的计算方法、经验和结果对实际工程中的离心泵汽蚀性能的预测和流动模型的选择有借鉴作用。     

锅炉给水泵诱导轮的设计与应用

要:本文讨论了锅炉给水泵汽蚀特性的影响因素,对采用诱导轮改善锅炉给水泵汽蚀特性进行了理论分析,阐述了锅炉给水泵诱导轮的设计方法。同时,通过工程试验的验证,提出了利用诱导轮改善离心泵汽蚀特性的一般性准则。     

高抗气蚀离心泵内流场数值模拟研究（英文）

本文以同一工况下具有相同进出口尺寸的离心泵模型为对象,基于数值模拟的方法研究了子午面轮廓和长短叶片对离心泵的气蚀性能和水力性能影响。遵循抗空化设计准则提出有别于普通离心泵的三种高抗气蚀离心泵,其一具有驼峰型过水断面曲线,最大值在叶片前缘处以降低前缘冲击损失,减少空化影响。其二采用诱导轮叶轮一体化设计,安置分流叶片,长叶片在进口处螺旋形前伸,提前做功,使低压点前移。其三结合以上两种设计手段综合提高抗气蚀性能。采用多相流CFD模型预测三种模型泵在设计工况下的气蚀性能叶片载荷与气液两相分布间,并在无量纲空化数下分析了其气蚀性能。结果显示进口延长的螺旋形长叶片形成了类似诱导轮的效果,降低了整个叶轮对空化影响的敏感性。另一方面,单纯地扩展子午面流道虽然可以显著提高扬程与空化性能,但是却对整体效率产生了不利影响。     

长短叶片离心泵汽蚀性能数值模拟分析及实验研究

为提高离心泵的汽蚀性能,利用CFD数值模拟分析与实验研究相结合的方法对长短叶片离心泵在不同汽蚀余量时叶轮内部气液两相的分布规律进行分析研究,分析了3种不同短叶片进口直径在不同汽蚀工况时气泡分布情况对叶轮内部流动和性能的影响。分析结果表明:选择合理短叶片的进口直径可以有效提高离心泵的抗汽蚀性能,避免叶轮进口堵塞和流道内发生漩涡汽蚀。当汽蚀余量减小到一定程度,离心泵短叶片进口直径为0.65D2(D2为叶轮外径)时,在长叶片和短叶片的背面都会出现漩涡汽蚀区;当离心泵短叶片进口直径为0.75D2时,在长叶片背面与短叶片工作面间的流道内会出现两个漩涡汽蚀区;当离心泵短叶片进口直径为0.85D2时,离心泵的抗汽蚀性能最佳。     

诱导轮与泵主叶轮的匹配关系研究

在泵主叶轮前加装诱导轮是改善泵汽蚀性能的主要措施之一。本文从结构和能量两方面对二者的匹配关系做了研究，统计并提出了全新的泵叶轮进口直径计算公式和诱导轮扬程的计算方法。应用上述方法呆以更进上步改善泵的汽蚀性能、简化结构设计关能提高效率，同时还能减小诱导轮的轴向长度。     

离心泵叶轮抗汽蚀优化设计

针对循环水系统离心泵的汽蚀问题对叶轮进行优化,通过选择适当的叶轮折引直径,改变叶轮入口角度来改善泵的吸入性能及改变叶轮的制造工艺和选择抗汽蚀性能好的双相不锈钢,较好解决了循环水泵叶轮汽蚀问题并设计制造焊接式叶轮.