低比转速离心泵加大系数的计算方法探讨

依据离心泵叶轮出口宽度、比转速的计算式推导得出了计算低比转速离心泵流量、扬程及比转速放大系数的计算公式,提出了建立在离心泵性能预测基础上的理论计算低比转速离心泵最佳流量、扬程及比转速放大系数的方法,解决了泵行业一直依据经验统计值确定其放大系数不能使低比转速离心泵在设计点效率最高的问题．经实例验证表明：本文提出的方法能够提高低比转速离心泵在设计工况点的效率,充实了低比转速离心泵的设计理论。     

低比转速离心泵的面积比原理

依据离心泵的面积比原理,提出了建立在面积比原理基础上低比转速离心泵在加大流量设计后计算面积比、第八断面面积的方法及计算公式,此面积比和第八断面面积与泵的流量加大系数、比转速加大系数有关,解决了依据经验统计值确定面积比且不能使低比转速离心泵在设计点效率最高这一问题.实例表明:提出的计算方法能够提高低比转速离心泵的效率,充实了低比转速离心泵的设计理论.     

缝隙引流叶片对低比转速离心泵性能的影响

低比转速离心泵由于叶轮直径大、出口宽度小、流道扩散严重等原因,导致其效率偏低且很难改善.缝隙引流技术可大幅提高低比转速离心泵的性能.为进一步分析缝隙引流技术对不同低比转速离心泵性能的影响,设计3种不同比转速的常规叶轮和缝隙引流叶轮.为便于分析比较,将同一比转速的叶轮在同一蜗壳内进行实验.实验结果表明:缝隙引流技术可有效地提高扭曲叶片叶轮的性能,且对不同低比转速离心泵性能的影响程度和影响区域不同;缝隙引流叶片包角和缝隙越小,对泵性能的改善越有利.     

低比转速离心泵运行可靠性的研究

本文针对低比转速离心泵存在扬程曲线有驼峰、大流量运行时过载、易发生汽蚀、易泄漏等难题,从消除驼峰、采用无过载设计方法、提高离心泵抗汽蚀能力、采用机械密封和应用监测系统与故障诊断等角度进行了研究,提出了相应的设计方法或措施,可作为低比转速离心泵设计的参考依据。     

叶轮型式对超低比转速高速离心泵性能的影响

为了分析不同叶轮型式对超低比转速高速离心泵性能的影响,对采用普通叶轮与复合叶轮离心泵内部流动进行数值模拟.计算基于连续方程和雷诺时均N-S方程,采用标准的k-ε湍流模型和SIMPLEC算法.模拟采用不同长短叶片的复合叶轮的超低比转速高速离心泵在设计工况下的全三维流场,得到短叶片径向和周向偏置位置的最佳组合.着重分析比较采用普通叶轮和复合叶轮两种离心泵模型方案在不同流量下叶轮内部的速度场和压力场,得到其内部流动的主要特征.研究结果表明,在其他过流部件相同的条件下,采用长短叶片的复合式叶轮离心泵其性能比普通常规叶轮更佳.     

基于NSGA-Ⅱ遗传算法的低比转速离心泵多目标寻优

为了提高低比转速离心泵的水力效率和扬程,选取比转速为30的某一低比转速离心泵为研究对象,以离心泵的扬程和水力效率最大值作为优化目标,采用离心泵基本方程与Plackeet-Burman试验相结合的方法进行参数筛选,最终选取离心泵叶轮的叶片出口安放角、叶片包角和叶片出口宽度作为优化变量.在优化过程中,采用最优拉丁超立方设计方法安排了30组试验,利用RBF神经网络模型拟合出优化目标与变量之间的近似模型,并运用基于NSGA-Ⅱ遗传算法进行多目标寻优.优化结果表明:优化后的叶轮扬程基本没有变化,水力效率提高了5.82%,消除了流量-扬程曲线的驼峰现象,使离心泵的运行更加稳定;优化后叶轮流道内的压力梯度减小,漩涡的发生区域及大小也有不同程度的改善;叶轮流道内湍流区域分布均匀,叶片做功能力增强,水力效率得到提高.     

低比转速离心泵圆盘损失的计算

准确计算圆盘损失的大小是预测低比转速离心泵性能的重要因素.在泵试验结果的基础上,借助流体动力计算的数值计算和模拟方法,采用RNGk-ε湍流模型封闭时均N-S方程组,以低比转速离心泵M23-12.5为对象,在假定圆盘摩擦损失只增加轴功率而不影响液体有效能量增加的基础上,通过泵的数值预测结果和实验性能曲线的对比,对3种圆盘摩擦损失的计算方法进行比较.结果表明与直接计算叶轮外圆直径的摩擦力矩作为整个泵的圆盘摩擦损失的方法相比,根据泵叶轮的形状,分别计算其前后盖板的摩擦力矩进而求得叶轮圆盘损失的方法,更适合低比转速离心泵叶轮圆盘损失功率的计算.     

叶片进口边穿孔前后的离心泵不稳定空化特性

为了研究叶片进口边穿孔后离心泵不稳定空化特性,以某低比转速离心泵为研究对象,基于SST k-ω湍流模型和Zwart空化模型,研究了叶片进口边穿孔前后叶轮内的流动特性及压力脉动特性.研究发现,对于低比转速离心泵,叶片穿孔后,低压区的分布范围较原型泵的分布范围小,压力梯度变化较原型泵的快;在空化条件下穿孔叶片叶轮总的湍动能比原型叶轮的小;在一个旋转周期内所应的每个时间点上,穿孔叶片所产生的汽泡分布区域比原型叶轮小;穿孔叶片可以有效地减少由空化所产生的振动、噪声.     

缝隙引流叶轮的优化设计

以带缝隙引流叶片的低比转速离心泵叶轮为研究对象, 研究了缝隙引流叶片的位置对低比转速离心泵水力性能的影响. 基于叶片参数化设计、网格划分、CFD(computational fluid dynamics)计算和后处理过程全自动集成的优化平台, 以离心泵叶轮水力效率最大化为目标函数, 采用实验设计法(design of experiments, DOE)和序列二次规划法(sequential quadratic programming, SQP)组合策略进行优化设计. 将优化后得到的新叶轮和原始叶轮进行对比分析发现, 优化后泵流道内堵塞情况减少, 扬程提高, 0.6Q 工况以后优化叶轮的效率比原始叶轮高, 同时最高点效率提高了2% 以上. 研究结果表明, 该设计方法切实可行.     

低比转数离心泵叶轮内部流动的测量

设计了一副5叶片的低比转数离心泵叶轮,并应用二维粒子图像速度仪(P IV)成功地测试了转速1250 r.m in-1下5个不同工况以及相同流量、转速分别为1 000,750 r.m in-1工况下叶轮内的瞬时流场.测试结果充分揭示了叶轮内相对速度矢量场的特征及其分布规律.结果表明:离心泵叶轮通道内液体受曲率、旋转产生的离心力和科里奥力作用,相对速度由叶片进口吸力面高、压力面低滑移为出口压力面高、吸力面低,叶轮内部的流动呈现非对称、非均匀特点;相同流量不同转速下叶轮内部流场的规律基本相似,但流动偏转角(Δβ)随转速增大而增大.     

双蜗壳离心泵启动过程瞬态流动特性与隔板处压力脉动特性

为了研究双蜗壳离心泵在启动过程中蜗壳内部液体瞬态流动特性和隔板处的压力脉动特性,以一台比转速为90的双蜗壳离心泵作为研究对象,建立了一套循环管路系统,选用RNG k-ε湍流模型,应用ANSYS CFX软件对双蜗壳离心泵及循环管路系统进行了三维非定常数值计算,分析了启动过程中蜗壳内部流场演化规律和外特性变化趋势,并对隔板不同位置处压力脉动的变化情况进行了比较.结果表明:在启动初期,蜗壳内部流速变化较为剧烈,隔舌和隔板初始位置出现高速区域,蜗壳入口处存在明显的速度梯度,随着转速增大,高速区域逐渐减小,内部流动趋于稳定;在启动过程中,隔板初始位置和末端位置的压力脉动幅值相对较大,且隔板外侧的压力脉动相对于隔板内侧更为稳定.     

离心泵水力损失的计算

分析了当前离心泵水力损失计算方法中存在的主要问题.合理划分了离心泵各过流部件内水力损失的类型并分别建立了离心泵吸入室、叶轮和蜗壳内水力损失的计算模型.通过对大量优秀离心泵的实际计算和理论分析,采用回归分析的方法,按比转数、流量和转速分类,以比转数为自变量的形式给出了离心泵各损失系数的数学表达式.实例计算表明,该模型的计算结果准确可靠且适用范围广泛.     

无过载超低比转速离心泵水力设计

在比转速n_s<30时通常不再设计成离心泵,因为泵效率较低,轴功率曲线太陡极易产生过载现象,笔者首次较详细地研究超低比转速离心泵的无过载设计方法,针对n_s=23微型离心泵,给出叶轮主要几何参数D_2、b_2、β_2、Z、φ的选取原则和叶片平面流道的绘型。文中还给出测试结果和性能曲线。研究表明;只要设计合理,n_s<30时完全可以设计成效率较高的无过载离心泵。     

叶轮流道扩散度对超低比转速离心泵性能的影响

以超低比转速离心泵水力模型M23-12.5为研究对象,借助流体动力计算的数值模拟方法,采用RNGk-ε湍流模型封闭时均N-S方程组,在保证叶轮叶片数不变的前提下,通过改变影响叶轮流道扩散度的两个重要因素,即叶片包角和叶片出口排挤系数,来比较分析不同叶轮流道扩散度对超低比转速离心泵外特性参数和内部流场分布的影响.研究结果表明,叶片包角的增大和叶片出口排挤系数减小(叶片厚度变大)都会减小叶轮流道的扩散度,从而减小离心泵的轴功率,提高效率.过大的叶片包角会增大液体与叶片的接触面积,进而增大摩擦损失,使得轴功率增大,效率降低.该结论将为超低比转速离心泵的设计提供参考.     

基于高维混合模型与遗传算法的离心泵叶片优化

提出了一种基于机器学习的高维混合模型用于离心泵的叶片优化方法.选用一台低比转速离心泵,以离心泵叶轮叶片为研究对象,通过对叶片型线拟合分离多变量参数,利用支持向量机的高维表示方法,结合计算流体动力学软件,经过对训练集的机器学习,构建了离心泵叶片型线优化的代理模型.依据遗传算法求解离心泵多变量代理模型,预测了离心泵效率最高点及在该点时的叶片型线几何参数.运用数值模拟和试验研究的方法验证了预测数据,结果表明:数值模拟性能曲线与试验结果大体相符;在设计工况点,经代理模型优化后的数值模拟效率值较原型泵提高了2.61%,扬程提升了0.82 m,试验效率值较原型泵提高了2.1%,扬程提升了0.75 m.     

车载燃料电池低比转速离心压气机设计

设计了普通高速(20 000 r·min-1)电机驱动的车载燃料电池低比转速离心压气机.总结了压气机设计特点,并利用三维数值模拟计算(CFD)技术初步研究了压气机叶轮内部流场,得到了相应的特性曲线与主要气动参数分布.根据数值模拟分析,所设计的车载燃料电池低比转速离心压气机具有较高的效率和较宽广且平坦的工作特性,叶轮在设计转速下最高效率达83%, 最高压比达1.6, 流量范围在 0.05～0.20 kg·s-1.所设计的低比转速离心压气机,能满足车载燃料电池空气系统对于压气机的要求,同时避免了采用高比转速离心压气机所需的超高速电机所带来的问题.     

不同转速下离心泵压力脉动的试验研究

离心泵的压力脉动对泵的安全稳定运行有重要影响。为了揭示离心泵运行于不同转速下的压力脉动特性,以一台单叶片离心泵为试验研究对象,测量了泵在不同转速下的外特性曲线,并采用高频压力传感器测量了泵在不同转速时的压力脉动,获得了压力脉动的时域图、频域图,以及不同流量工况下的压力脉动强度分布曲线。外特性试验结果表明:不同转速下泵H-Q曲线基本平行,符合相似换算。试验结果表明:蜗壳内压力脉动从隔舌沿着泵转子旋转方向逐渐减弱,在额定流量工况附近压力脉动强度最小。频域分析表明:压力脉动主频为叶轮转频fn,但由于单叶片离心泵内存在较强的流动分离,在5 fn范围内也存在明显的宽频压力脉动信号。随着转速的降低,蜗壳内压力脉动强度明显降低,但并不完全符合相似换算;转速越高蜗壳-叶轮的势流干涉作用越强,压力脉动周期性越明显;在低转速小流量时尾迹干涉表现明显,压力脉动变得更复杂,周期性减弱。     

超低比转速高速离心泵复合叶轮短叶片的几何造型方法

离心泵叶片三维造型常用的平面翼型修型法计算工作量大,操作复杂.为此针对超低比转速高速离心泵复合叶轮短叶片的三维造型,提出一种基于Pro/E软件采用空间圆柱坐标系进行叶片三维实体造型,综合考虑短叶片进口位置、周向偏置度、偏转角等影响短叶片翼型设计的主要因素,在长叶片翼型基础上,进行适当修型,从而得到短叶片翼型.该方法操作简单,造型准确,便于叶片修型;生成的短叶片平顺光滑,可更准确地实现设计意图,为提高离心泵复合叶轮内部流动CFD数值模拟精度及其性能预测奠定可靠的基础.     

离心泵转速最佳调节系统的研究

本文在对商业油库中离心泵运行工况分析的基础上,针对油库离心泵管路系统的特点,提出了微机控制离心泵转速动态最佳调节系统。     

模型血泵相似性设计及验证

以日本磁悬浮离心式血泵为原型,设计制作了放大2倍的模型泵,用不同流体对泵的相似性进行实验验证发现,模型泵和原型泵具有很好的相似性;采用黄原胶溶液模拟血液流体比水的相似性更好,质量分数为0.06%和0.04%的溶液比其他浓度溶液更接近血液流体.在溶液浓度较低时,溶液的非牛顿特性对离心泵的相似设计影响较小,模型泵实测相似临界雷诺数和转速分别与相似设计的临界雷诺数和转速一致;在溶液浓度较高时,溶液的非牛顿特性对离心泵的相似设计影响较大,模型泵实测相似临界雷诺数和转速远小于相似设计的临界雷诺数和转速.