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小流量工况下高速离心泵内部弱可压流动特性研究

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小流量工况下高速离心泵内部弱可压流动特性研究

作者：王少龙浙江理工大学

学位级别：硕士

高速离心泵在国防、化工过程工业、航空航天等关键领域有着广泛的应用。离心泵在高速旋转作用下,其内部流动将呈现明显的弱可压特征,导致高速离心泵内部流动与低速离心泵中的不可压流动存在较大区别。理想不可压流体的流动状态仅由速度... 详细信息

高速离心泵在国防、化工过程工业、航空航天等关键领域有着广泛的应用。离心泵在高速旋转作用下,其内部流动将呈现明显的弱可压特征,导致高速离心泵内部流动与低速离心泵中的不可压流动存在较大区别。理想不可压流体的流动状态仅由速度和压力主导;然而在弱可压作用下,压力密度耦合关系将使得高速离心泵内部流动更为复杂,并进一步影响高速离心泵的性能参数。因此,亟需开展高速离心泵内部弱可压流动特性的研究。本文以某一设计转速为9685r/min的高速离心泵为研究对象,采用大涡模拟方法获得非定常数值计算结果。通过开展网格无关性验证、数值结果和已有实验数据的比对,验证了高速泵内弱可压和不可压数值方法的可靠性,并在一定程度上体现了弱可压数值方法的优越性。针对小流量工况(0.23Q,Q为130kg/m),首先开展了弱可压对高速离心泵内部非定常流动特性的影响研究,而后分别探究了转速和低温介质对高速离心泵弱可压缩流动特性的影响规律。主要结论如下:(1)研究了弱可压对高速离心泵内部非定常流动特性的影响。在小流量工况下,两种假设(弱可压和不可压假设)的压力差异主要在靠近动静干涉区域,速度差异则集中于泵下游区域。与不可压的结果相比,弱可压假设更易捕捉到叶轮流道内失速涡结构。弱可压对压力脉动的频率无影响,但会影响速度脉动的频率;与此同时,弱可压对压力和速度脉动振幅的影响显著。在动静干涉区,压力脉动一阶和二阶主频的振幅最大偏差分别为466.8%和300%;速度脉动一阶主频最大偏差为185.8%。在导叶区域,压力脉动一阶和二阶主频的振幅最大偏差分别为7.1%和75.2%,速度脉动一阶主频的振幅偏差为29.4%。当流量增大到设计工况时,弱可压带来的的影响减弱,如动静干涉区内压力脉动一阶主频最大偏差下降为21%。(2)探究了转速对高速离心泵弱可压缩流动特性的影响。随着转速增加,各过流部件不稳定流动结构增强。在设计转速时,诱导轮出口处的脉动主频为三倍频,导叶流道内的脉动主频为叶频。随着转速的急剧增大,诱导轮出口处的脉动主频特性逐渐消失,变为连续频率带;部分导叶流道内的脉动主频改为三到五倍转频。动静干涉区和导叶出口处的脉动特性对转速不敏感。分析泵内的熵产特征,发现间隙流道和导叶流道内流动损失最大,且与转速正相关。(3)探究了低温介质对高速离心泵弱可压缩流动特性的影响。低温介质不仅对泵的外特性影响很小,而且对诱导轮和叶轮流道内的不稳定流动结构影响也很弱;然而,低温介质对导叶流道内失速和蜗壳二次流影响较为显著。在诱导轮出口处,液态甲烷的脉动主频表现为轴频,而液氮和液氧的则是叶频。在动静干涉区,低温介质对脉动一阶主频的振幅影响较小;液态甲烷的二阶主频振幅低于液氮和液氧的结果,液氮的轴频振幅较高。在导叶流道内,受低温介质失速位置不同的影响,表现出截然不同的频谱特性,其中液氧的一阶主频均为叶频,液氮有一个流道的一阶主频改为低倍频,而液态甲烷有三个流道。分析不同低温介质泵内熵产特征,发现熵产与密度正相关。

关键词：高速离心泵小流量工况弱可压方法 LES模型流动特性

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轴流泵偏工况压力脉动和内流特性分析

水力发电学报 2023年第5期42卷 86-96页

作者：王开杰赵勇王生辉肖业祥汪程鹏张瑾长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室西安710064 清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室&能源与动力工程系北京100084 自然资源部天津海水淡化与综合利用研究所天津300192 海南大学机电工程学院海口570228

轴流泵在偏离设计工况特别是小流量工况马鞍区附近运行时,流道内部强烈涡旋会造成剧烈的压力脉动,影响了泵组的安全稳定运行。本文以高比转速轴流泵为研究对象,对轴流泵5个流量工况点进行了整体流道三维流动计算,探讨该轴流泵运行时的... 详细信息

轴流泵在偏离设计工况特别是小流量工况马鞍区附近运行时,流道内部强烈涡旋会造成剧烈的压力脉动,影响了泵组的安全稳定运行。本文以高比转速轴流泵为研究对象,对轴流泵5个流量工况点进行了整体流道三维流动计算,探讨该轴流泵运行时的非定常流动特性。数值计算采用RNG k-ε湍流模型,5个定常工况点计算的外特性曲线与轴流泵性能特点研究结果一致。对0.2Q_(d)和1.0Q_(d)工况进行非定常计算,结果显示,相同位置测点间的压力脉动混频幅值和频率均存在明显差异,0.2Q_(d)工况下相同位置测点间的压力脉动峰峰值最大超过1.0Q_(d)工况下4倍,说明此时流道内的流态分布很不均匀。测点离叶轮和导叶越近,低频脉动的主频受动静干涉引起的3fn和5fn脉动幅值就会明显增强,0.2Q_(d)工况下流道内测点受动静干涉作用的影响更强,脉动幅值为1.0Q_(d)工况下相同位置测点的3~5倍,且在转轮和导叶流道内影响的范围更广。结果表明,0.2Q_(d)小流量工况运行时压力脉动比1.0Q_(d)设计工况明显剧烈,叶轮和导叶内受动静干涉作用的影响更强,导叶流道内充满了严重的流动分离和漩涡。

关键词：轴流泵小流量工况压力脉动内流特性数值计算

小流量工况下叶尖弯曲对间隙流动影响的数值研究

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科学技术与工程 2021年第2期21卷 825-831页

作者：王伟钢海军装备部西安710089

为研究叶片叶尖弯曲对间隙流动的影响情况,采用数值模拟方法,研究了不同叶尖弯曲参数(弯曲方向、弯高、弯角)对跨声速压气机动叶在小流量工况条件下的间隙流动的影响,研究对象为美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Admi... 详细信息

为研究叶片叶尖弯曲对间隙流动的影响情况,采用数值模拟方法,研究了不同叶尖弯曲参数(弯曲方向、弯高、弯角)对跨声速压气机动叶在小流量工况条件下的间隙流动的影响,研究对象为美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)Rotor37跨声速压气机转子叶排。结果表明:在小流量工况条件下,叶尖弯曲对平均效率的影响无明显规律,但可能导致平均效率下降;叶尖正弯曲能够改善间隙附近的流动情况,使叶片通道内的堵塞程度降低,降低间隙附近的流动损失;而叶尖反弯曲会使得叶片通道内的堵塞程度增加,增加间隙附近的流动损失。

关键词：轴流压气机弯曲叶片小流量工况间隙流动数值模拟

深度调峰工况下350 MW汽轮机组低压缸流场与温度场分布特性研究

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热能动力工程 2022年第9期37卷 59-65,72页

作者：吴昕李前宇薛常海李洪伟华北电力科学研究院有限责任公司北京100045 京能秦皇岛热电有限公司河北秦皇岛066000 东北电力大学能源与动力工程学院吉林吉林132012

针对某电厂350 MW超临界机组汽轮机低压缸结构,建立了由末5级叶栅通道组成的低压缸通流区域单通道三维模型。选取从热耗率验收工况(THA)降低至1.5%THA的7种运行工况,构建了低压缸蒸汽流量变化全域图谱。利用计算流体动力学方法,在不同... 详细信息

针对某电厂350 MW超临界机组汽轮机低压缸结构,建立了由末5级叶栅通道组成的低压缸通流区域单通道三维模型。选取从热耗率验收工况(THA)降低至1.5%THA的7种运行工况,构建了低压缸蒸汽流量变化全域图谱。利用计算流体动力学方法,在不同蒸汽流量下对末级汽轮机低压缸低压流场以及温度场进行计算。计算结果表明:在THA工况下,蒸汽能够顺畅地流过低压缸通道;随着蒸汽流量降低,回流涡出现在末级动叶叶根以及中弦后方区域,叶栅通道蒸汽流动混乱度逐渐增强;当蒸汽流量降低到14%THA时,末级动叶进入到鼓风加热状态,蒸汽对末级动叶做负功,末级动叶内功率为负值;当蒸汽流量降低到5.8%THA时,末级动叶吸力面顶部出现小范围200℃高温区域;当蒸汽流量降低到3.0%THA时,鼓风加热现象加剧,末级动叶顶部和静叶吸力面的叶尖区均出现了200℃高温区域,必须采取必要的措施予以低压缸降温。

关键词：汽轮机低压缸小流量工况深度调峰蒸汽流量

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小流量工况下汽轮机末级的湿蒸汽凝结研究

汽轮机技术 2021年第3期63卷 190-192,196页

作者：王行曹丽华王加兴司和勇赵金峰豆中州吉林省电力科学研究院有限公司长春130021 东北电力大学能源与动力工程学院吉林132012

在火电机组深度调峰过程中,汽轮机常工作在小流量工况,低压缸末级内湿蒸汽的凝结及分布规律也非常复杂。将两相流体模型和经修正的均质成核模型及液滴生长模型相结合,对小流量工况下末级湿蒸汽凝结规律进行研究。结果表明:湿蒸汽成核率... 详细信息

在火电机组深度调峰过程中,汽轮机常工作在小流量工况,低压缸末级内湿蒸汽的凝结及分布规律也非常复杂。将两相流体模型和经修正的均质成核模型及液滴生长模型相结合,对小流量工况下末级湿蒸汽凝结规律进行研究。结果表明:湿蒸汽成核率的分布受压力场的影响较大,且与压力场的分布趋势相近。不同截面液滴数及粒径的分布受到涡的影响也较为突出,液滴主要分布于动叶压力面侧及动叶片尾缘下游,这与该处的流线涡位置相吻合,并且在液滴数越多的位置液滴粒径也越大。

关键词：汽轮机小流量工况末级湿蒸汽凝结

小流量工况下透平与非轴对称排气系统流动机理研究

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小流量工况下透平与非轴对称排气系统流动机理研究

作者：陈永超中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所)

学位级别：硕士

排气系统是燃气轮机、汽轮机组中的重要组成部件,主要有两个作用:一个是回收末级透平的余速动能,减小透平出口背压,增加透平焓降,提高透平出功;二是引导气流流入下游。船用燃气轮机、E级及之前的重型燃机和大功率汽轮机多采用单侧径向... 详细信息

排气系统是燃气轮机、汽轮机组中的重要组成部件,主要有两个作用:一个是回收末级透平的余速动能,减小透平出口背压,增加透平焓降,提高透平出功;二是引导气流流入下游。船用燃气轮机、E级及之前的重型燃机和大功率汽轮机多采用单侧径向排气系统,气流由末级透平流出,沿轴向进入排气系统,在排气蜗壳中转弯90°后流出,气流方向发生翻转,形成复杂的漩涡,并且随工况改变明显。无论是舰船开经济航速下低负荷运行的燃机还是电网中起灵活性调峰作用的汽机,工况变化频繁,存在部分负荷、小流量工况运行常态化的情况。小流量工况下,透平与排气系统内流动剧烈变化,导致排气系统丧失扩压能力,透平进入鼓风状态工作,降低机组运行效率和安全。因此,研究小流量工况下透平与非轴对称排气系统内的流动特征,寻求在宽负荷范围内提高透平与排气系统性能的改进方法,对拓宽机组高效安全运行的工况范围,提高热效率降低能源消耗具有重要意义。本文以300/600 MW汽轮机组排气系统1/15缩尺模型为研究对象,数值研究全工况范围内透平与排气系统耦合流场随流量变化的特性;随后,对排气蜗壳结构及扩压器几何结构进行了改进,分析了全工况范围内的改进效果;最后,对透平与排气系统耦合实验台进行了可视化改造,以开展耦合透平与排气系统的PIV实验研究。主要结论如下:（1）流量下降引起透平动叶负攻角增大,50%流量工况时透平输出功为负值,进入鼓风状态;负攻角来流引起透平动叶压力面前缘形成由叶根向叶顶发展的漩涡并逐渐扩大,使得小流量工况下气流由静叶半叶高以下位置流入动叶,在动叶根部翻转至叶顶后流出透平;透平出口旋流角的变化是影响排气系统内流动结构的主要因素;随着流量减小,排气系统内流场的非对称性减弱。（2）排气蜗壳上半缸高度增加,增大了气流在蜗壳内的实际通流面积,对蜗壳内的漩涡结构和透平叶栅出口流场的影响很小。小流量工况下,增大扩压器流通面积可以提高排气系统的扩压能力,降低排气系统的总压损失。

关键词：小流量工况末级透平非轴对称排气系统耦合流场 PIV粒子测速

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基于正交试验的低比转数离心泵高效设计

排灌机械工程学报 2023年第12期41卷 1189-1195页

作者：吕忠斌刘洁琼曹璞钰尤保健上海凯泉泵业(集团)有限公司上海201800 江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心江苏镇江212013

为了研究叶轮结构参数对离心泵效率提升的影响,以某单级单吸立式离心泵(比转数n_(s)=40~60)为研究对象,选取叶轮出口宽度b_(2)、叶片数Z、叶片出口安放角β2和叶片包角φ为试验因素,建立L_(9)(4^(3))正交试验方案,在0.75Q_(d)~1.20Q_(d)... 详细信息

为了研究叶轮结构参数对离心泵效率提升的影响,以某单级单吸立式离心泵(比转数n_(s)=40~60)为研究对象,选取叶轮出口宽度b_(2)、叶片数Z、叶片出口安放角β2和叶片包角φ为试验因素,建立L_(9)(4^(3))正交试验方案,在0.75Q_(d)~1.20Q_(d)(Q_(d)为额定流量)工况下进行各方案模型的数值计算,分析各因素对水力性能的影响,继而得到该泵叶轮结构的最佳参数组合.随后按照最佳尺寸修改叶轮,将优化后水泵外特性试验结果与原泵进行比较.结果表明:高效设计时,低比转数离心泵叶轮结构参数对效率影响程度由大到小依次为b_(2),β_(2),φ,Z,影响水力性能的主要因素为b_(2);确定了高效设计时叶轮结构参数的最优水平组合;优化后泵效率较原泵整体提高近2.85%,高效区扩宽至0.75Q_(d)~1.20Q_(d)工况范围;最后得到修正系数k′_(b_(2)),k′_(Z),k′_(φ),用于指导低比转数离心泵的高效设计.

关键词：低比转数离心泵小流量工况高效区正交试验修正系数

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小流量工况下汽轮机末级的脱流特性研究

汽轮机技术 2019年第3期61卷 192-194页

作者：赵金峰冯忠宝曹丽华司和勇姚莹莹吉林省电力科学研究院有限公司长春130021 东北电力大学能源与动力工程学院吉林132012

利用CFX软件对小流量下汽轮机低压缸末级叶片的脱流特性进行研究。结果表明:在额定背压、G1/G0=0.3工况下,动静叶间隙开始形成脱流涡。随着流量的减小,脱流涡沿叶高向叶根方向发展。当G1/G0=0.08时,脱流涡几乎占据整个叶高,涡核由72.7%... 详细信息

利用CFX软件对小流量下汽轮机低压缸末级叶片的脱流特性进行研究。结果表明:在额定背压、G1/G0=0.3工况下,动静叶间隙开始形成脱流涡。随着流量的减小,脱流涡沿叶高向叶根方向发展。当G1/G0=0.08时,脱流涡几乎占据整个叶高,涡核由72.7%相对叶高迁移到49.1%,严重恶化末级流场,威胁叶片安全。

关键词：汽轮机末级叶片小流量工况脱流涡

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斜流泵小流量工况压力脉动数值模拟与实验

农业机械学报 2017年第2期48卷 117-125页

作者：张德胜刘俊龙耿琳琳石磊张俊杰江苏大学流体机械工程技术研究中心镇江212013

基于标准的Smagorinsky亚格子尺度模型,对斜流泵全流场进行大涡模拟并结合压力脉动实验对小流量工况下的压力脉动和内部流场进行研究。实验结果表明,叶轮进口处的脉动幅值最高,随着流量的降低压力脉动幅值逐渐增加,不同工况下叶轮进口... 详细信息

基于标准的Smagorinsky亚格子尺度模型,对斜流泵全流场进行大涡模拟并结合压力脉动实验对小流量工况下的压力脉动和内部流场进行研究。实验结果表明,叶轮进口处的脉动幅值最高,随着流量的降低压力脉动幅值逐渐增加,不同工况下叶轮进口、叶轮出口、导叶进口的压力脉动主频为叶频,但导叶出口脉动主频随着流量的变化而变化。大涡模拟表明,0.8Qopt工况下叶轮进口流动状态较好,叶轮进口轴面速度变化较小,而在0.4Qopt工况下叶轮进口流动状态较复杂,轴面速度变化较大,0.4Qopt工况时叶轮进口冲角增加以及受到相邻叶片叶顶泄漏流的影响,在t*=0.041 6时叶片进口吸力面已发生流动分离,当叶轮从t*=0.041 6旋转到t*=0.124 9时,叶片吸力面流动分离加剧,轮缘处的轴面速度明显升高,同时分离涡的旋转强度也逐渐增强,导致该区域的静压下降,逆压梯度上升,促使回流的产生,当回流到达叶片进口时进口处的静压逐渐恢复,因此叶轮进口流动分离是引起叶轮进口压力脉动幅值增加的重要因素。

关键词：斜流泵小流量工况压力脉动数值模拟