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混流泵作透平的数值计算与试验

水电能源科学 2020年第10期38卷 152-154,175页

作者：潘磊杨孙圣邵珂林啟旭信阳职业技术学院建筑工程学院河南信阳464000 江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心江苏镇江212013

为探究混流泵作透平内部的流动特性,选取1台比转速为220的混流泵进行外特性试验,采用全流场和结构化网格技术对透平内部流动状况进行数值模拟,得到不同流量工况下透平内部的流场分布和压力分布,并用速度三角形对透平内部流场变化进行分... 详细信息

为探究混流泵作透平内部的流动特性,选取1台比转速为220的混流泵进行外特性试验,采用全流场和结构化网格技术对透平内部流动状况进行数值模拟,得到不同流量工况下透平内部的流场分布和压力分布,并用速度三角形对透平内部流场变化进行分析。结果表明,透平进口到出口压力逐渐降低,随着流量增加,透平进出口压差逐渐增加,叶轮内部涡漩位置和大小发生变化,尾水管内液流圆周分速度方向发生变化;透平总水力损失随流量的增加而增加,其中叶轮水力损失占比最高,因此混流泵作透平的优化应集中在叶轮部分。

关键词：混流泵作透平外特性试验数值模拟水力损失

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混流泵作透平叶轮的数值计算与试验研究

混流泵作透平叶轮的数值计算与试验研究

作者：邵珂江苏大学

学位级别：硕士

液体压力能是一种清洁的可再生能源,泵作透平作为小功率液体压力能开发节能装备,相对微型水轮机有体积小、结构简单、成本低和方便维护等优势,在小水电和工业流程中有着广泛的运用。目前大流量、中低水头液体压力能利用设备较少,而适用... 详细信息

液体压力能是一种清洁的可再生能源,泵作透平作为小功率液体压力能开发节能装备,相对微型水轮机有体积小、结构简单、成本低和方便维护等优势,在小水电和工业流程中有着广泛的运用。目前大流量、中低水头液体压力能利用设备较少,而适用于大流量、中低水头的混流泵作透平往往选型困难甚至无型可选,因此有必要对混流泵作透平设计方法展开研究。叶轮是混流泵作透平能量转换的核心部件,对叶轮开展研究,研究透平叶轮优化设计方法,对提高小功率液体压力能利用率、推广农村水电和推动清洁低碳的能源体系建设有着重大的社会意义。本文采用试验、数值模拟和理论分析相结的方法,以混流泵作透平叶轮为研究对象,对混流泵作透平内部流动、叶轮切割及透平叶轮参数优化设计展开研究,本文的主要工作内容和创新性如下:（1）设计并制造比转速分别为222和264的混流泵作透平样机,搭建混流泵作透平试验台进行透平外特性试验测试。利用CFD软件对混流泵作透平进行数值模拟,对比不同湍流模型、网格数下数值计算所得透平外特性与试验外特性,确定了较为准确的混流泵作透平数值模拟方案。（2）对混流泵作透平进行内部流动分析,研究不同流量工况下透平各过流部件内部流场分布及水力损失分布,总结混流泵作透平内部流动规律。分析非设计流量工况下透平效率下降的原因,并对混流泵作透平内部能量损失进行分析,为透平水力性能优化提供理论基础。（3）创新性地对混流泵作透平叶轮外径切割进行研究,通过试验得到不同切割比例下透平的外特性,发现混流泵切割公式计算结果与透平试验所得结果高效点偏差在4.17%以内,高效点水头偏差在4.8%以内,混流泵泵工况下叶轮切割定律应用在透平工况具有一定的准确度。通过数值模拟的方法分析切割前后透平内部流场变化和水力损失变化,总结透平外特性变化的原因。对混流泵作透平盖板切割进行研究,得出在叶轮切割时应保留前后盖板的结论。（4）对混流泵作透平叶轮进行重新设计,通过数值模拟和理论分析的方法,以混流泵作透平叶片进口角、叶片出口角、叶轮进口宽度、叶片数和叶片包角为研究对象,研究其变化对透平外特性的影响。试验验证了混流泵作透平叶轮高效设计理论的正确性,采用高效设计理论设计了水头10 m,轴功率5 kW的混流泵作透平,该产品已成功应用于透平市场。

关键词：混流泵作透平叶轮试验研究数值模拟流动分析

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混流泵作透平蜗壳的数值计算与试验研究

混流泵作透平蜗壳的数值计算与试验研究

作者：戴韬江苏大学

学位级别：硕士

以液力透平为核心设备的小型水力发电系统具有投资成本低、运维方便、环境影响小等经济技术优势,在工业余能回收领域及大电网难以覆盖的偏远农村地区获得了广泛的应用。在较大流量、中低水头的工况条件下进行水力发电,混流泵反转作透平... 详细信息

以液力透平为核心设备的小型水力发电系统具有投资成本低、运维方便、环境影响小等经济技术优势,在工业余能回收领域及大电网难以覆盖的偏远农村地区获得了广泛的应用。在较大流量、中低水头的工况条件下进行水力发电,混流泵反转作透平更为适用。现阶段关于混流泵作透平的研究和改进主要集中在叶轮部分,对蜗壳部件的探究相对较少。受泵体径向尺寸影响,混流泵反转用作透平时通常不设置导叶结构,液体从蜗壳出口直接流向叶轮进口,蜗壳的几何结构很大程度上影响着叶轮的入流状态和机组性能。因此,开展混流泵作透平蜗壳部件的研究,对提高小型水力发电系统的综合能效、巩固农村水电发展成果有着重要的现实意义。本文采用数值模拟与试验探究相结合的方式,以蜗壳部件为出发点,结合相关理论对混流泵作透平的外特性、内部流动状态及结构设计方法进行了研究,主要的研究内容和创新性成果如下:(1)设计并制造了比转速为288的混流泵作透平试验样机,搭建混流泵作透平专用试验台进行外特性测试。研究了数值计算过程中网格数、湍流模型等因素对混流泵作透平外特性的影响,并将计算结果与试验结果相对比,获得了较为准确的混流泵作透平数值计算方案;对混流泵作透平各过流部件内部流动状态及能量转换过程进行了数值模拟探究,为混流泵作透平蜗壳的结构研究提供了基础。(2)对混流泵作透平蜗壳部件进行了重新设计,通过数值模拟的方式探究了蜗壳截面形状、蜗壳型线、蜗壳截面面积、蜗壳出口宽度等主要几何参数对混流泵作透平的影响,获得了蜗壳不同几何参数对混流泵作透平的外特性、内部流动及水力损失的影响规律。从蜗壳的角度探讨了混流泵作透平的设计方案,为实际工程应用提供了理论参考。(3)将泵体内部流动区域划分为主流区、过渡区和泵腔间隙区。对后泵腔间隙区流场进行了数值模拟和试验研究,分析了泵腔间隙内部流动状态以及间隙大小对混流泵作透平的性能影响。通过填充板填充的形式对后泵腔间隙进行修改,并在试验台上进行测试。数值计算和试验的结果均表明,后泵腔间隙经填充后,混流泵作透平的水头、轴功率及效率均有一定程度的上升。(4)创新性地提出了出口倾斜型蜗壳方案以提升混流泵作透平运行效率。计算并分析了采用出口倾斜型蜗壳情况下混流泵作透平的外特性及内部流动规律,与普通的径向出口蜗壳相比,蜗壳出口倾斜后混流泵作透平水头、轴功率和效率分别提升了10.41%、17.64%、5.2%。设计并制造了出口倾斜型蜗壳样机,将径向出口蜗壳与倾斜出口蜗壳进行了同台试验,试验结果证实了出口倾斜型蜗壳能够显著提高混流泵作透平的运行效率,为混流泵作透平的设计及应用提供了新的思路。

关键词：混流泵作透平蜗壳流动分析数值模拟试验研究

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平行进口叶轮切割对混流泵作透平的影响

上海交通大学学报 2020年第8期54卷 805-812页

作者：杨孙圣邵珂戴韬江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心江苏镇江212013 江苏大学镇江流体工程装备技术研究院江苏镇江212009

为了探究叶轮切割对混流泵作透平的影响,设计一比转速为240的混流泵作透平,平行叶轮进口进行4次切割,切割同时保留透平叶轮的前后盖板,运用CFD与试验结合的方法得出混流泵作透平的外特性,分析叶轮切割对混流泵作透平的内部流动影响.结... 详细信息

为了探究叶轮切割对混流泵作透平的影响,设计一比转速为240的混流泵作透平,平行叶轮进口进行4次切割,切割同时保留透平叶轮的前后盖板,运用CFD与试验结合的方法得出混流泵作透平的外特性,分析叶轮切割对混流泵作透平的内部流动影响.结果表明:随着叶轮切割比例增加,混流泵作透平流量效率曲线向小流量工况偏移,在小流量区间,透平轴功率上升,扬程下降,在大流量区间透平轴功率下降,扬程上升.叶轮切割后叶轮与蜗壳间的循环流量增加,透平水力损失增加,因而透平最高效率下降.采用混流泵切割定律推测不同切割比例下透平高效点的外特性参数,发现推测所得外特性均高于试验值,但误差较小,混流泵叶轮切割定律可近似用于透平工况下叶轮切割的高效点预测.

关键词：叶轮切割混流泵作透平数值模拟理论公式

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混流泵作透平的性能研究

混流泵作透平的性能研究

作者：刘莹莹江苏大学

学位级别：硕士

大型水电站的建设需要大规模的水坝结构,建设费用高,投资回收周期长,大坝蓄能的水库可能淹没巨大的宝贵农业用地。而小型水电站无此类问题,可提供分散化的发电。尤其是在偏远的乡村和丘陵地带,更加适合发展小型水电站。对于小水电站,采... 详细信息

大型水电站的建设需要大规模的水坝结构,建设费用高,投资回收周期长,大坝蓄能的水库可能淹没巨大的宝贵农业用地。而小型水电站无此类问题,可提供分散化的发电。尤其是在偏远的乡村和丘陵地带,更加适合发展小型水电站。对于小水电站,采用泵反向运转作为透平发电简单可行。离心泵反转用作透平主要用于小流量、高水头工况,混流泵作透平用于较大流量、中低水头工况。目前,国内外学者对混流泵作透平的研究很少。本课题进行混流泵实型样机反转作透平研究。通过数值模拟、试验比对,结合相关理论研究了混流泵作透平的外特性、内部流动状态、高效设计等。并对比分析了介质为5%浓度的含沙水与清水时混流泵作透平的特性。本课题的主要研究内容及成果如下:1.采用数值模拟与试验方法对比转速为249的混流泵工况及其反转作透平工况的外特性进行了研究,得知混流泵作透平在大流量区域运行较好,运行区间比较宽广;当流量减少时,混流泵作透平的效率不会急剧下降。而在泵工况下,混流泵的效率下降较快。同时较为准确地获得了混流泵作透平的数值模拟方法,为混流泵作透平的后续进一步研究打下了基础。2.采用BladeGen软件对比转速为249的混流泵叶轮进行了改善设计,通过数值模拟,研究了分别改变混流泵作透平叶轮的包角、叶片数以及叶轮外径时,对混流泵作透平性能的影响,获得了不同叶轮几何参数下混流泵作透平的外特性曲线、内部流动状况及水力损失分布规律,分析了叶轮主要几何参数对混流泵作透平性能的影响,可为实际工程运用提供一定的参考。3.针对小水电溪流水质含有泥沙的实际情况,结合固液两相流相关理论,研究了介质分别为5%浓度的含沙水与清水对混流泵作透平的外特性及内部流场分布的影响,得到了混流泵作透平在介质为清水时最高效率点流量下以5%浓度的含沙水为介质运转时,叶轮前盖板内表面上的沙粒体积浓度高于后盖板内表面上的体积浓度,因而对叶轮前盖板内表面,叶片靠近背面的头部区域应重点考虑如何防止沙粒对这些部位的磨蚀;蜗壳第六断面之后的断面体积浓度较入口浓度没有明显变化,但一至五各断面浓度呈明显逐渐增高的趋势,因而在考虑蜗壳内的防磨蚀时,应重点考虑一至五各断面,同时应优先考虑蜗壳中截面附近区域的防磨蚀能力。因此,为混流泵作透平叶轮及蜗壳等的设计提供了一定的参考,具有一定的创新性。

关键词：混流泵作透平理论分析数值模拟试验研究含沙水

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蜗壳出口倾斜对混流泵作透平的性能影响

排灌机械工程学报 2020年第5期38卷 451-456页

作者：杨孙圣戴韬陈振邵珂王凯江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心江苏镇江212013 格兰富水泵(上海)有限公司上海201106

为了提高混流泵作透平工作效率,揭示蜗壳出口倾斜后对透平性能的影响,在不改变其他过流部件几何参数的情况下,利用试验研究与数值模拟相结合的方法,分别模拟蜗壳出口倾斜角度为0°和26°的透平模型,探讨蜗壳出口倾斜对混流泵作透平性能... 详细信息

为了提高混流泵作透平工作效率,揭示蜗壳出口倾斜后对透平性能的影响,在不改变其他过流部件几何参数的情况下,利用试验研究与数值模拟相结合的方法,分别模拟蜗壳出口倾斜角度为0°和26°的透平模型,探讨蜗壳出口倾斜对混流泵作透平性能的影响规律.结果表明:蜗壳出口倾斜情况下透平叶轮流道流线分布更加均匀,二次流旋涡现象较径向出口蜗壳的混流泵作透平有明显的减弱;在设计流量(120 m 3/h)工况下,混流泵作透平蜗壳出口倾斜后其效率、水头、轴功率分别提升了5.2%,10.41%,17.64%;蜗壳出口倾斜后叶轮和尾水管内部水力损失减小,蜗壳内部水力损失略有增加,总水力损失为减小;试验结果与数值模拟的外特性预测结果变化趋势一致,验证了数值模拟的准确性.该研究丰富了液力透平设计方法,可为混流泵作透平设计提供一定的参考.

关键词：混流泵作透平蜗壳出口倾斜数值模拟

分流叶片及其偏置设计对混流泵作透平性能的影响与试验研究

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分流叶片及其偏置设计对混流泵作透平性能的影响与试验研究

作者：周成江苏大学

学位级别：硕士

在小型水电、石油裂化和航空航天等领域,存在大量的高压液体,高效回收利用这部分液体压力能具有重要的现实意义和经济价值。液力透平是回收利用液体压力能的一种装置,其中泵反转作液力透平是目前广泛应用的机型。其不仅具有结构紧凑、... 详细信息

在小型水电、石油裂化和航空航天等领域,存在大量的高压液体,高效回收利用这部分液体压力能具有重要的现实意义和经济价值。液力透平是回收利用液体压力能的一种装置,其中泵反转作液力透平是目前广泛应用的机型。其不仅具有结构紧凑、制造工艺简单、安装维护方便等优点,更具有研发周期短、使用寿命长的优势。目前对适用于小流量、高水头的离心泵作透平研究较多,对适用于大流量、中低水头的混流泵作透平研究却鲜有报道。国内外学者对复合式叶轮优化设计的研究主要集中在低比转速的离心泵,对混流泵作透平复合式叶轮的优化设计研究较少。因此研究混流泵作透平的设计方法与优化设计对提高混流泵作透平效率、推广透平应用具有重要的工程价值和经济意义。本文采用数值模拟、试验和理论分析相结的方法,以两种不同比转速的混流泵作透平为研究对象,对分流叶片及其偏置设计对混流泵作透平内部流动特性的影响展开研究,为混流泵作透平复合式叶轮的优化设计提供了参考依据。本文的主要工作内容和创新性如下:1.设计并制造了比转速为186的混流泵作透平试验样机,搭建混流泵作透平专用试验台并对叶片数为6的常规叶轮和主、分流叶片数均为6的复合式叶轮进行外特性测试。研究了数值计算过程中网格数、湍流模型等因素对混流泵作透平外特性的影响。通过常规叶轮和复合式叶轮的数值计算结果和实验数据相对比,验证了数值计算的准确性,为混流泵作透平复合式叶轮的结构研究提供了参考。2.以一比转速数为186的混流泵作透平的复合式叶轮为研究对象,选择分流叶片的周向偏置度、叶片数、出口安放角及出口直径4因素,每个因素各取3水平,制定了正交试验方案。采用流场模拟软件ANSYS-CFX对混流泵作透平进行全流场数值模拟,得出有无分流叶片下混流泵作透平的湍动能、速度流线、外特性及水力损失分布。经过极差分析得出各因素对效率影响的主次顺序。3.通过对分流叶片的周向偏置度、叶片数、出口安放角和出口直径四个因素对混流泵作透平流动特性影响展开研究,得出以下结论:1)分流叶片越偏向吸力面时,混流泵作透平的水力效率越高,高效区越宽,水力性能更佳。对于不同比转速的混流泵作透平,分流叶片的周向偏置度存在一个最佳区间,使透效率达到最高,该最佳区间为0.4θ～0.6θ。2)主、分流叶片数均为4时,复合式叶轮进口处的速度流线较柔顺,液体的流动状态贴合主叶片和分流叶片的弯曲形状。叶轮局部出现漩涡,分布区域在主叶片的压力面。主、分流叶片数均超过7后,高速区域多集中在叶轮进口处和分流叶片的压力面。3)对于比转速为186的混流泵作透平,分流叶片出口直径为0.9D,透平的效率达到最高;对于比转速为210的混流泵作透平,分流叶片出口直径为0.85D,透平的效率达到最高。4)随着主、分流叶片出口安放角增大,混流泵作透平效率一直减小,当出口安放角为27.5°时,透平效率达到最高值。两款复合式叶轮的高效点并未随着分流叶片出口角的增大而向小流量工况或大流量工况产生偏移,分别保持在160 m/h、220m/h。4.创新性地设计出双分流叶片的新型复合式叶轮,通过对双分流叶片叶轮进行三维建模、CFD数值计算、外特性、内流场和水力损失分布进行分析。结论如下:双分流叶片复合式叶轮混流泵作透平比常规叶轮的混流泵作透平的效率更高,高效区更宽,水力性能更佳。分流叶片的合理偏置有效地降低了叶片两侧和透平进口湍动能的大小。在复合式叶轮中,主、分流叶片的间隔排列方式比主、中、短分流叶片的间隔排列方式更能改善叶轮内部流动情况。

关键词：分流叶片混流泵作透平正交实验数值模拟

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叶轮外径对混流泵作透平性能的影响

排灌机械工程学报 2019年第4期37卷 284-288,301页

作者：柏宇星刘莹莹孔繁余夏斌戴韬南京工程学院汽车与轨道交通学院江苏南京211167 江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心江苏镇江212013 成都电力机械厂四川成都610000

为了研究混流泵作透平工况下,叶轮外径对性能的影响,以混流泵为模型,通过试验验证了CFD方法的有效性.基于BladeGen设计了160,170,180 mm这3种叶轮外径的混流泵水力模型,并通过数值分析研究了3种叶轮外径下,混流泵作透平工况下的外特性,... 详细信息

为了研究混流泵作透平工况下,叶轮外径对性能的影响,以混流泵为模型,通过试验验证了CFD方法的有效性.基于BladeGen设计了160,170,180 mm这3种叶轮外径的混流泵水力模型,并通过数值分析研究了3种叶轮外径下,混流泵作透平工况下的外特性,水力损失分布及内部流场分布.结果表明:随着叶轮外径的不断增大,混流泵作透平的高效点逐渐向大流量区域移动,高效点的扬程、轴功率及效率都随之增加;大流量区域内,扬程迅速降低,轴功率下降变缓,效率有所上升;总水力损失与叶轮部分的水力损失显著减少;蜗壳部分的水力损失变化不明显;叶轮入口处的旋涡区域逐渐减小,蜗壳出口与叶轮入口之间存在的间隙流体逐渐减小,从而引起该部分水力损失逐渐减小,压力分布更加均匀.

关键词：混流泵作透平叶轮外径水力损失数值模拟流场分析

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叶片包角对混流泵作透平的特性影响

排灌机械工程学报 2019年第6期37卷 475-479页

作者：杨孙圣邵珂戴韬江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心

采用数值模拟与试验验证相结合的方法,在保证叶轮其他主要几何参数不变的情况下,分别模拟叶片包角为45°,65°,75°,85°,95°和105°的叶轮模型,并通过试验进行验证,探究叶片包角变化对混流泵作透平性能的影响规律.结果表明:随着叶片... 详细信息

采用数值模拟与试验验证相结合的方法,在保证叶轮其他主要几何参数不变的情况下,分别模拟叶片包角为45°,65°,75°,85°,95°和105°的叶轮模型,并通过试验进行验证,探究叶片包角变化对混流泵作透平性能的影响规律.结果表明:随着叶片包角增大,混流泵作透平流量效率曲线向小流量工况偏移,且高效区间逐渐减小,流量扬程曲线和流量轴功率曲线上升趋势越来越陡峭.随着包角增加,液流流动将更加贴近叶片型线,叶轮流道内部旋涡现象得到一定程度的改善.包角增加使得叶片对液流约束能力加强,旋涡损失减小从而小流量区域水力损失减小;在大流量区域,包角增大使得叶轮流道加长,摩擦损失增加从而流道内的水力损失加大.因此旋涡损失和摩擦损失的共同作用使叶片包角存在一个最佳值使得透平最高,效率最高,对混流泵作透平叶片设计有一定的指导意义.

关键词：混流泵作透平叶片包角水力损失数值模拟