蜗壳出口截面对液力透平性能的影响

针对国内外液力透平的研究现状以及效率较低等问题,对一单级液力透平的蜗壳收缩管进行研究,并借助于ANSYS软件得到液力透平在不同蜗壳出口截面下的性能曲线,分析不同蜗壳出口截面对液力透平性能的影响,以及流场的压力、速度分布情况,计算在不同蜗壳出口截面下液力透平蜗壳收缩管的能量损失情况.研究发现:当离心泵用作透平时,通过优化蜗壳出口截面之后所获得的液力透平效率高于直接将离心泵用作透平的效率;且随着蜗壳出口直径的增大,液力透平蜗壳收缩管中的水力损失逐渐减小.     

离心泵做透平的叶片弯曲形状分析

为提高液力透平的效率,设计了前弯和后弯2种叶片弯曲形式的叶轮,利用实验、理论和数值计算相结合的方法对离心泵做透平的水力性能进行了研究.分别对后弯式叶轮泵工况、透平工况和前弯式叶轮液力透平工况3种情况的水力性能进行了分析,得到泵工况和2种液力透平工况下外特性曲线的差别,并分析了液力透平各过流部件内部功率损失分布.研究结果表明:泵作透平的外特性曲线与泵的不同,Q-H曲线随流量增加而逐渐增加;2种叶轮形式的液力透平对比中,前弯形叶轮在最高效率点的流量、扬程、轴功率和效率分别比后弯形叶轮高;前弯形叶轮高效点以及高效点之后的流量效率曲线高于后弯形叶轮的流量效率曲线,流量扬程曲线低于后弯形叶轮的流量扬程曲线,2种形式的叶轮轴功率相差不大.液力透平各过流部件功率损失分布表明,前弯形叶轮内部的功率损失的减小是液力透平效率提高的主要原因;对比2种叶片弯曲形状液力透平的流量和扬程系数可知,前弯式叶轮的流量系数和扬程系数均大于同尺寸后弯式叶轮的,因此前弯叶轮更适合于液力透平工况运行.     

叶片进口安放角对液力透平性能的影响

针对叶片进口安放角对液力透平性能影响规律认识不足的问题,架设一开式液力透平实验台,对一单级蜗壳式液力透平进行实验研究.采用结构化网格技术对该液力透平进行全流场数值计算与分析,将数值结果与实验结果相结合,验证数值计算的准确性.对不同进口安放角的叶轮进行数值研究.研究结果表明:随着叶片进口安放角的增加,液力透平小流量工况的效率有所下降,大流量工况的效率有所增加;透平的扬程和轴功率随着进口安放角的增加而增加;叶轮内部的功率损失是透平内部主要的功率损失;当叶片安放角增加时,小流量工况的功率损失有所增加,大流量工况下的功率损失有所减小;大流量工况下随着叶轮进口安放角的增加,进口液流冲角逐渐减小,因此,透平在大流量工况下功率损失减小,效率提高.     

液力透平的数值计算与试验

设计了液力透平试验台,对一单级液力透平进行了试验,得到了外特性曲线.采用全流场和结构化网格技术对液力透平内部流动进行了数值计算.分析了液力透平在不同流量下的压力场和速度场,得到了内部流场的分布规律.应用速度三角形对液力透平叶轮和尾水管内部速度场随流量变化规律进行了研究.结果表明:离心泵反转可用作透平运行,并具有较高的效率;最高效率的数值计算与试验结果相对误差为4.85％;透平内部的压力从蜗壳进口经叶轮到尾水管逐渐减小,进出口压差随流量增加而逐渐增加;在透平叶片背面和工作面存在漩涡区域,漩涡位置和区域大小随流量而变化;在尾水管横截面上存在的圆周速度分量随流量而变化.     

截面形状对螺旋通道湍流流动及场协同的影响

为探明截面形状对螺旋通道湍流流动的影响,采用有限体积法和RNG k-ε湍流模型数值研究了圆形、半圆形、矩形、正方形、梯形和三角形共6种截面面积相等而形状不同的螺旋通道内流体湍流流动特性。在螺旋半径、螺距、螺旋线长度相同的条件下,以常温水为工质,研究截面形状和进口速度对螺旋通道的流动阻力、速度场及涡量的影响,并根据多场协同原理分析速度场和压力场的协同关系。结果表明:圆形截面螺旋通道流动阻力损失最小,而三角形截面螺旋通道流动阻力损失最大;流体在螺旋通道内湍流流动会产生垂直于主流方向的二次流,矩形截面螺旋通道发现四涡结构的二次流,其余截面螺旋通道为二涡结构的二次流;三角形截面螺旋通道涡量值最大,协同角θ也最大,而圆形截面螺旋通道涡量值最小,协同角θ也最小。     

水轮机全蜗壳圆形断面的水力优化设计方法

针对目前水轮机蜗壳常规水力设计方法中存在的不足,合理划分水轮机蜗壳内水力损失的组成,建立水轮机蜗壳内的水力损失计算模型,改善水轮机蜗壳的水力性能.以水轮机蜗壳的水力损失为目标函数,以沿水轮机蜗壳周向断面的速度矩分布规律为设计变量,对水轮机蜗壳进行优化设计.通过实际编程计算证明,采用变速度矩法设计出的水轮机蜗壳达到了减少水力损失,提高水轮机蜗壳水力性能的目的.     

一种降低单级液力透平蜗壳内压力脉动的方法

为了降低液力透平蜗壳内的压力脉动幅值,选择一单级离心泵为研究对象,当离心泵反转作液力透平时,在液力透平叶轮进口前添加一组固定导叶,利用Pro/E软件建立添加导叶前后的几何模型,然后利用软件ANSYSCFD计算两模型蜗壳内周向、径向以及不同流量下的压力和压力脉动变化情况,并通过快速傅里叶变换将压力脉动的计算结果进行处理,分析蜗壳内的时域和频域分布.研究发现:叶轮进口前添加导叶可有效降低蜗壳内周向和径向最大压力脉动幅值,且使大流量下蜗壳内的压力脉动幅值增加程度降低.     

横向间距和截面形状对汽轮机切向进气蜗壳气动性能的影响

为了降低蜗壳总压损失并提高出口气流均匀性,对影响切向进汽蜗壳的气动特性和流场形态的因素进行了研究。采用数值方法求解了三维RANS方程和SST湍流模型,分析了横向间距和截面形状对汽轮机切向进气蜗壳气动性能的影响。数值模拟得到的部分切向进气蜗壳的质量流量和出口马赫数与实验测量数据一致,验证了数值方法的可靠性。对比分析了不同进口总压下5种切向进气蜗壳耦合静叶结构的气动性能参数和流场型态,结果表明:5种进气蜗壳耦合静叶结构的出口气流角基本不随进气总压的增加而改变;5种进气蜗壳耦合静叶结构的总压损失系数和质量流量会随着进气总压的增加而增加;进气蜗壳出口气流角随着横向间距的增加而增加,圆特征截面进气蜗壳出口气流角大于类多边形特征截面进气蜗壳的;随着横向间距的增加,5种进气蜗壳耦合静叶结构的蜗壳总压损失系数增加,静叶总压损失系数减小,进气蜗壳耦合静叶结构的总压损失系数先减小后增加;进气蜗壳截面形状对总压损失系数的影响明显大于横向间距的,类多边形特征截面蜗壳的总压损失系数明显大于圆特征截面蜗壳的;静叶出口气流角几乎不受横向间距和特征截面的影响;圆特征截面切向进气蜗壳耦合静叶结构具有最低的总压损失系数,...     

纤维截面形状对纤维捕集效率及压力损失的影响

为研究纤维截面形状对纤维过滤器性能的影响,采用Visual Basic的应用程序版(VBA)随机生成不同几何截面形状的虚拟纤维过滤介质,通过计算流体动力学(CFD)技术求解流体在纤维介质流动的动量方程,得出不同几何截面形状纤维的压力损失.采用拉格朗日方法统计被纤维捕集颗粒数,获得纤维介质的捕集效率.采用质量因子综合评价模拟纤维过滤介质的过滤性能,研究不同几何截面形状纤维的异型度和形状系数对其捕集效率、压力损失以及质量因子的影响.模拟结果表明:压力损失随着形状系数的增大而增大;在填充率小于0.20时,三叶形纤维的捕集效率最高且压力损失最大;异形度、形状系数大的纤维对直径小于2μm的颗粒具有较好的捕集效果;在纤维直径为30μm时,对于颗粒直径小的粒子,三叶形纤维的综合过滤性能最好,而当纤维直径为5μm时,圆形纤维的质量因子最高.     

泵反转液力透平速度滑移的计算与分析

针对离心泵反转液力透平(PAT),采用RNGk-ε湍流数值模拟分析了泵工况(正转)与透平工况(反转)的速度滑移特性,揭示了滑移系数的变化规律,提出了考虑滑移系数时计算PAT泵工况与透平工况扬程换算关系的新方法.结果表明:随着流量增加,泵工况滑移系数增大,透平工况滑移系数减小.速度滑移引起叶轮内的附加水力损失,透平工况流量大于额定流量时,其滑移系数小,叶轮内附加水力损失小,这是液力透平大流量时效率高的原因之一.采用PAT换算关系新方法计算了不同比转速下的6个PAT算例的扬程换算值,并将结果与未考虑滑移系数的方法比较,经实验验证该方法的平均误差约减小5%~20%.     

2种形式的液力透平叶轮外特性

为了提高液力透平的效率,设计前弯和后弯2种形式的叶轮,通过理论分析、数值计算以及实验研究的方法对其进行分析。应用流场分析软件ANSYS CFX分别对具有2种形式叶轮的液力透平进行全流场数值计算与分析,得到2种液力透平外特性曲线的差别,并分析2种液力透平叶轮内部流场流动规律。研究结果表明:前弯形叶轮在最高效率点的流量、扬程、轴功率和效率分别比后弯形叶轮高24.45%,29.80%,68.95%和4.38%;前弯形叶轮高效点以及高效点之后的流量效率(η-Q)曲线高于后弯形叶轮的流量效率曲线,流量扬程(H-Q)曲线低于后弯形叶轮的流量扬程曲线,2种形式的叶轮轴功率相差不大;前弯形叶片叶轮内部速度梯度小于后弯形叶片叶轮的内部速度梯度,前弯形叶片叶轮内部水力损失较少;实验结果与数值预测结果相吻合,验证了数值计算可以用来对液力透平进行优化设计。     

平行进口叶轮切割对混流泵作透平的影响

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.     

叶轮叶片进出口角及叶片型线对液力透平性能的影响

针对离心泵反转作透平存在效率不佳,高效区较窄的现状,选用比转速为48的离心泵为原型,以叶轮轴面形状不变为基础,从透平设计原理出发,设计了符合透平工况的不同进出口角,不同型线变化规律的前弯、后弯叶片.叶轮叶片的最大厚度由最大压头求得,叶片加厚规律选用NACA低速翼型规律.利用流体分析软件ANSYS Fluent进行数值计算,计算结果表明:设计的前弯、后弯叶片液力透平的效率均优于离心泵直接反转作透平的情况,后弯叶片液力透平的效率高于前弯叶片液力透平的效率,前弯、在圆柱面展开图上流线上凸叶片液力透平的高效区最宽.     

双流道水力透平的性能预测与结构优化

借鉴低比转速混流式水轮机的叶片设计原理与双吸泵的结构型式,设计出一种卧式双流道混流式水力透平机.为了对其结构进行优化,保证性能和最大化水能回收效率,又能最大限度地降低研究成本,对导水部件采用几种不同翼型导叶的方案进行了探讨.研究结果表明:利用传统的头部较厚的导叶不利于水流绕流,在导叶头部处能量损失严重,而添加头部修型的负曲率导叶的水力透平效率最优,且在小流量工况下其水力性能较其他方案好,表明该导叶应用工况范围广,选择该设计要求下水力透平的导叶,缩短了产品设计周期与节约了成本,为将来水力透平机的结构优化和性能预测提供了有益的理论和实际应用参考.     

基于Micro-PIV的不同截面形状微柱群内部流场特性研究

采用显微粒子测速技术（Micro-PIV）对圆形、椭圆形及菱形等不同截面形状错排微柱群绕流流动进行研究,得到了不同雷诺数（Re）下微柱群内部的速度场、流线等绕流流场信息,分析了Re与截面形状对绕流流场结构的影响规律。研究结果表明,微柱体绕流过程中漩涡脱落相对于常规尺度具有一定的滞后性;圆形微柱体背风区最早发生流动分离,菱形、椭圆形次之;随着Re的增大,微柱体尾流区出现涡结构,回流长度逐渐增大,在三种截面形状微柱群绕流流动中圆形截面微柱群的回流长度和回流区域最大。     

蜗壳截面尺寸对气动性能影响研究

针对压缩空气储能系统中某闭式向心涡轮,设计不同截面尺寸的矩形截面有叶蜗壳,采用CFD(computational fluiddynamies)方法对带蜗壳的向心涡轮进行整级全周数值计算,研究蜗壳截面尺寸对向心涡轮性能的影响.结果表明,当蜗壳无量纲气动尺寸S1小于0.2时,随着S1的增加向心涡轮性能得到提高并且性能提高的速率逐渐减小;当S1大于0.2后,随着S1的增大向心涡轮的性能保持不变或者略有下降;与所研究用向心涡轮相匹配的蜗壳最优无量纲气动尺寸接近0.2,而蜗壳截面宽度B的变化对向心涡轮性能没有明显影响.通过对向心涡轮压力损失及内部流场的详细对比分析,揭示了S1及B对向心涡轮影响的机理,为向心涡轮的设计和优化提供一定的参考.     

循环圆对液力缓速器制动转矩的影响分析

基于CFD软件平台,采用RNGκ-ε湍流模型对不同循环圆形状液力缓速器的内流道进行数值模拟.结果发现:循环圆形状为圆形时,液力缓速器内流场定子与转子间的静压力值、压力差、相对速度最大,液力缓速器产生的制动转矩也最大.     

离心泵作透平倾斜叶片主动降噪

为降低离心泵作透平流体诱发的内外场噪声,从同相位脉动水动力作用面积与辐射噪声的关系出发,建立了叶片倾斜角度关系式,提出了在保证性能前提下倾斜叶片的主动控制降噪方法.利用透平实验平台,对2组不同倾斜角度的透平进行了水力性能、内场噪声实验;在验证壳体有限元模型的基础上,基于有限元/自动匹配层进行了外场噪声数值研究.结果表明:倾斜叶片可以保持离心泵作透平的原有水力性能,大流量工况效率最高增加1.09个百分点;同时能够降低整体频段的总声能,内场总声压级降低0.07%~3.02%,外场总声功率级大流量工况降幅最大,降低约11.97%;内外场主要频率处的声压级也得到了不同程度的降低.     

受弯构件截面形状对工程造价的影响研究

通过对矩形、工字形、T形、圆形和环形等5种截面形状受弯构件进行对比分析,研究了不同截面形状对工程造价的影响.计算了T形受弯构件和环形受弯构件在不同截面尺寸比例下的抗弯截面系数,得出了承载性能随截面尺寸比例的变化规律,从而可通过调整受弯构件截面尺寸比例对工程造价进一步优化.     

蜗壳出口位置对低比转速离心泵性能的影响

为了研究蜗壳出口位置对低比转速离心泵性能的影响,在保证蜗壳基圆、前八断面面积及形状、蜗壳出口直径和中心高相同的前提下,改变蜗壳出口位置,分别设计出A、B、C三种型号蜗壳.以清水为介质,基于雷诺平均法、RNG k-ε湍流模型,对比转速为46的离心泵进行数值计算.结果表明:三种不同出口位置情形时离心泵的外特性变化趋势基本一致,但最高效率值有所不同,在各个工况点,C型的效率均高于A、B型,且三者的高效区均向大工况偏移;三种型号蜗壳的离心泵,在各自相应工况下,叶轮进口处的静压分布、湍动能分布和流线分布大致相同,而叶轮出口及蜗壳流道中三者的变化较大,表明改变蜗壳出口位置对叶轮进口处内流场的影响较小,主要影响叶轮出口及蜗壳流道中内流场的变化.