进口导叶角对水力的影响基于CFD的轴流泵的性能

文摘

轴流式泵被广泛应用于水利工程、农业工程、供水和排水工程,造船工业。为了提高泵的水力性能偏离设计的工作条件下,入口段轴向弦的影响和进口角调整导叶的泵段效率和流程提出模拟利用重整化群(RNG)湍流模型基于Reynolds-averaged n - s方程。结果表明:入口段轴向弦和进口角调整导叶对泵段效率有强烈的影响。考虑到支持功能和导叶的水力损失,入口段轴向弦将导叶的轴向弦的0.25倍。的基础上进口导叶的角度在设计条件下,当入口段角是逆时针,泵段效率是改善低流量;此外,泵段效率提高在大流量地区进口段角是顺时针方向。偏离设计工况条件,导叶的影响在泵进口角段效率增加。如果入口段角是适当调整偏离设计的工作条件下,导流叶片的流型是改善和水力损失减少,因为入口段角匹配与叶轮出口的流向;因此,泵段效率增加。

1。介绍

叶片泵广泛用于机械工程、水利工程、土木工程和军事工业。叶片泵的应用受其影响稳定和高效的操作。因此,有必要注意泵的优化(1- - - - - -4),注意研究压力脉动,穴蚀现象,振动,噪声也是必要的5- - - - - -8]。轴流泵的叶片泵是一种特定的速度高,它的特点是低水头、大流量率。由于特征,轴流式泵广泛应用于低水头泵站领域的水资源配置、水环境改善,城市防洪、灌溉和排水。导叶的一个重要组成部分是轴流式泵,用于恢复在叶轮出口流动的动能(9,10]。导叶的水力性能有很大的影响对轴流式泵的水力性能和泵系统。因此,它具有重要意义研究导叶与叶轮的匹配来提高轴流式泵的水力性能。

目前,研究导叶的水力性能的影响的轴流式泵可以概括如下。李等人。11]研究了导叶的能力恢复旋转动能,和胡锦涛et al。12)和Durmus卡亚(13]研究了导叶的影响泵效的情况下和无导叶。周et al。14)研究了不同导流叶片泵效率,和史等。15]研究了轴流式泵的水力特性与不同的导叶角度。刘等人。16]研究了轴流式泵的水力特性与不同数量的导叶板,和罗等。17和冯et al。18]研究了影响导叶的水力泵系统的性能。

使用导叶进行叶轮出口和回收切向流能量。设计的工作条件、导流叶片进口角匹配叶轮出口的流向。偏离设计的工作条件,进口导叶的角度不一致的流向叶轮出口,导致增加了导叶的水力损失和降低轴流泵效率。近年来,一些研究探讨调整导叶角及其影响下的轴流式泵的水力性能偏离设计的工作条件;结果表明,一个完整的调整导叶角度提高导流叶片的流型,降低了水力损失,改善头0.4964 m和泵效率提高2.1648%以19]。杨et al。20.,21)研究一个完整的调整导叶角及其影响轴流泵水力性能的系统;结果表明,高效区移动到一个大放电率角度顺时针旋转时,一个小角是逆时针旋转时放电率。钱等。22)发现,当整个角调整导叶的鞍区,增加了0.15米,工作效率增加了1.93%,而在轴流流型泵是大大改善。上述研究都是关于整个导流叶片旋转。迄今为止,没有任何研究匹配的导流叶片进口角的流向轴流泵的叶轮出口的报告。

一方面,导叶的轴流泵的叶轮出口流动;另一方面,导叶需要支持导轴承的座位(23]。为了避免影响导流叶片的支持功能,在这个工作中,导叶分为入口段,中间段和出口段。入口段角度可调,而中产和出口段是固定的,用于支持导轴承的座位。CFD方法已广泛应用于泵的研究24- - - - - -31日和其他方面32- - - - - -38]。本文基于TJ04-ZL-06泵模型,3叶轮片组件和5导叶组件(39),进口导叶角对水力性能的影响进行了研究使用三维紊流数值模拟。根据数值模拟结果,进口角的影响的原因导叶的水力性能进行了分析。这项研究工作具有重要参考价值的水力设计和液压轴流泵的性能改进。

2。数学模型和数值设置

2.1。控制方程和湍流模型

三维紊流数值模拟的轴流泵建立了解决Reynolds-averaged n - s方程(40,41使用流利的软件。

轴流泵的流体是不可压缩的。稳定流动数值模拟的方法用于研究流量和泵的水力性能。将控制方程,应用于解决泵的流场包括连续性方程、动量方程,方程和方程湍流模型。Reynolds-averaged n - s方程如下所示: 在哪里是密度;是时间;和平均速度分量;是平均压力;和坐标方向;动态粘度;是身体分力;雷诺应力;和和是脉动速度的组件。

RNG湍流模型选择解决泵的流量,因为该模型适用于解决复杂流动如旋转流动,流动分离,和涡流动(42- - - - - -46]。的方程和RNG方程湍流模型如下所示: 在哪里是湍流动能制造项;是一个经验常数;是一个经验常数;是相应的湍流动能普朗特数吗 ;和是相应的普朗特数的湍流动能耗散率 。

2.2。计算域和边界条件

计算域流场的轴向流泵由一个直接入口管,锥形入口管、叶轮和叶轮室,导叶,出口管弯曲,并直接出口管(图1)。入口边界的流场计算轴流式泵设置在进口部分的直接入口管。卸料速度是已知的,在进口截面流速分布均匀;因此,采用速度入口边界条件(47]。出口边界的流场计算轴流式泵设置出口截面的直出水管,流的充分发展;因此,采用流出边界条件。流场计算,管道的侧壁,叶轮,导叶、泵轴、叶轮入口导流帽,和导叶出口固体和治疗根据实体墙的条件(48]。定期自轴流泵叶轮旋转,叶轮叶片和轮毂等旋转墙壁采用移动墙边界条件,和旋转速度和方向相同的叶轮。

2.3。数值设置和计算精度

策略的软件用于生成的网格计算领域。直接入口管的形状,锥形入口管,出口管弯曲,和直接出口管是简单的;应用结构化六面体网格。叶轮和导叶的形状复杂;应用非结构化网格。此外,由于叶轮和导叶的流动非常复杂,受局部细化网格。的y+价值壁面网格规模在20 - 70的范围,这与数值模拟的要求。数值模拟中,一阶逆风差分格式用于解决对俩散方程,SIMPLEC算法是用来解决压力速度耦合方程,和收敛精度设置为1×10⁻⁷。

网格独立执行验证,确保计算精度和计算效率。TJ04-ZL-06泵模型的计算参数如下:泵叶轮的直径和额定转速是0.3和1450 r / min,分别设计放电率是0.375米³/ s的桨叶角−2°根据试验台的模型试验结果北方调查、设计和研究有限公司,有限公司,天津,中国39]。

泵段泵的效率是一个重要的能源性能指标,这是作为判断依据网格独立性分析。泵段效率的计算公式如下: 在哪里是泵段效率;重力加速度;放电率;是泵段头;和泵的轴功率。

表1显示泵段效率之间的关系,在上述条件下网格数量。计算域的网格数量超过1863552时,泵段效率仅略有变化。根据验证结果,整个计算域的网格数量设置为在计算约1860000;每个组件的网格数据如表所示2。计算域的网格生成如图2。

基于上述数值方法和设置,TJ04-ZL-06泵的泵效率模型之间的放电率计算和 。基于计算结果,放电率和泵段效率之间的关系如图3;泵的流场图所示4。它可以看到泵段效率增加首先然后减少放电率增加。因为进口导叶角不匹配的流向叶轮出口在偏离设计的条件下,将会有漩涡的导叶小放电率的情况下,还会有涡在导叶的情况下大的放电率。数值计算和模型试验结果的比较如图3。TJ04-ZL-06泵模型的测试数据模型泵测试在同一测试床的南水北调(39]。很明显,数值模拟的趋势观察是一致的与模型试验,和两条曲线相似,表明计算结果是可靠的。

3所示。研究方案

以满足水力设计要求和结构要求,导叶分为入口段、中间段和出口段(图5)。入口段用于调整进口导叶的角度为了匹配的流动方向偏离设计的条件下叶轮出口。中间段是用来解决轴承支持。出口段,用于调整导叶出口的循环,是固定的。

在图5导叶的轴向弦 ,和入口段轴向导流叶片的弦(图4)。对于一个给定的 ,一个更大的对应于一个较短的固定区域(中产和出口段),和支持的功能导向叶片将负面影响。然而,一个更小的对应于一个较弱的调整效应的入口导叶角。因此,值为0.1H,0.2H,0.25H,和0.33H被用来研究的影响轴流式泵的水力性能。

进口导叶角为模型泵TJ04-ZL-06根据设计条件(图确定6)。在这篇文章中,入口导叶角被定义为0°。基于 ,如果进口导叶的部分是逆时针旋转(图6 (b)),进口角调整是正的;如果进口导叶的部分是顺时针旋转(图6 (c)),角度调整是负的。根据叶轮出口速度三角形,泵在运行时流量大于设计条件,流的绝对速度不匹配在叶轮出口和进口环节需要顺时针旋转。相比之下,泵在小流量条件下运行时,入口段需要逆时针旋转。在实际的系统中,泵在低水头泵站通常运行在一个大型流;因此,泵系统效率低(49,50]。提高效率,本文研究额外强调的影响在大流量条件下泵段效率;因此,作为−15°,−10°,−5°,0°,+ 5°。

进口导叶的部分是基于两个几何参数:入口段轴向弦和进口角调整 。是由计算方案和 ,的选为0.1H,0.2H,0.25H,和0.33H,是选为+ 5°,0°,−5°,−10°,−15°。两个因素的结合形式共有20个计算方案。基于模型泵TJ04-ZL-06叶片−2°角,计算放电率的方案作为0.30米³m / s, 0.325³m / s, 0.35³m / s, 0.375³m / s, 0.40³m / s, 0.425³/秒,0.45米³/ s。注意,当= 0°,该计划是一样的原导叶。

4所示。结果和分析

4.1。计算结果

每个计算的泵段能效计划使用三维紊流数值模拟计算。泵的曲线段效率和放电率对不同入口段轴向和弦和进口角调整如图7。

4.2。入口段轴向弦在泵段的影响效率

基于计算结果,泵段效率和入口段轴向弦不同的放电率值如图8。可以看出有很强的影响 。当放电率小于最优操作放电率,如果 , 将略有增加增加;如果 , 也会逐渐减少增加。一个更小的对应于一个更大的下降 。的放电率大于最优操作放电率,如果 , 将会减少增加;如果 , 逐渐增加增加。在这种情况下,一个更小的对应于一个更大的提高 。图8表明,不管增加或减少与增加 ,当 ,的影响在减少。因此,考虑到支持函数和导叶的水力性能,入口段轴向弦被认为是0.25H。

4.3。进口角调整泵段效率的影响

基于计算结果,泵段效率和进口角调整对不同放电率值和= 0.25H如图9。它可以看到如下:进口角调整增加,泵段效率当放电率增加问是0.30米³m / s, 0.325³/秒,0.35米³/ s,泵段效率基本上是常数时,放电率问是0.375米³/ s和0.40³/ s,泵段效率当放电率降低问是0.425米³/ s和0.45³/ s。当放电率小于最优操作放电率更大对应于一个更大的 ;当放电率大于最优操作放电率,一个更小的对应于一个更大的 。

条件下的= 0.25H,泵的流场在不同放电率,当进口角调整+ 5°,−10°如图10和11,分别。比较数据的流场4,10,11,它可以看到如下:在相同的放电率条件下,叶轮中的流场是相同的,不同的进口角调整;当放电率0.35³/ s和0.40³/ s,导流叶片的流型都适合不同的进气角度调整,因此泵段效率变化进口角调整增加(图9);当放电率是0.30立方米/秒,有流动分离导叶的背面,有一个大范围的涡流当进口角调整−10°;调整进口角越小,越流分离和能量损失越大,因此泵段效率减少进口角调整减少小放电率(图9);当放电率是0.45立方米/秒,有流动分离导叶的前面;有很大范围的漩涡+ 5°进口角调整时;泵段效率显著降低;调整进口角越大,越流分离和能量损失越大,因此泵段效率减少进口角调整增加大型放电率(图9)。

4.4。匹配关系的导向叶片进口角和叶轮出口流动方向

4.1.1。设计工况

导叶入口之间的关系角度和轴流泵的叶轮出口流动方向如图在最佳操作条件12(一个)。在图中,的进口角导叶设计的工作条件下, , ,和是绝对速度、相对速度和运输速度,分别设计工作条件下的叶轮出口流动,然后呢之间的角和 。显然,当轴流泵运行设计的工作条件下,等于 ,即。,的inlet angle of the guide vane matches the flow direction of the impeller outlet.

10/24/11。较小的放电条件

导叶入口之间的关系角度和轴流泵的叶轮出口流动方向与规模较小的放电率如图12 (b)。当轴流泵运行与一个较小的放电率,在叶轮出口轴向速度 ,叶轮出口流动的绝对速度和绝对速度和运输速度之间的角度和 ,分别。在这一点上,因为不到和不同于 ,罢工导流叶片的压力面流动。流动分离和旋涡将同时发生在真空导流叶片,导致额外的导叶的水力损失。确保进口导叶角匹配的流向叶轮出口一个较小的放电率,必须改变进气角在一定角逆时针的基础上 ,如图所示,图中的虚线12 (b)。

4.4.3。更大的放电率条件下

导叶入口之间的关系角度和轴流泵的叶轮出口流动方向与一个更大的放电率如图12 (c)。当轴流泵运行更大的放电率,在叶轮出口轴向速度 ,叶轮出口流动的绝对速度和绝对速度和运输速度之间的角度和 ,分别。在这一点上,因为比和不同于 ,罢工的真空一边流导叶。流动分离和旋涡将同时出现在导向叶片的压力面,导致额外的导叶的水力损失。与导叶与叶轮进口角出口流向大排气量,进口角必须改变在一定角度顺时针的基础上 ,如图所示,图中的虚线12 (c)。

4.5。在导流叶片进口角的影响流场

为= 0.45米³/ s,一个3 d稳定的紊流数值模拟了轴流式泵= 0°和=−10°。为便于分析,选择三个圆环面中心和边缘之间的导叶如下:内部环(中心附近),中间环(中心和边缘之间的),和外环(rim)附近。

的流场三导叶的花床= 0°和=−10°数据所示13和14,分别。的数据显示,较大的放电率条件下,当= 0°,导流叶片进口角的不匹配的流向叶轮出口;因此,真空导流叶片的流。流动分离和旋涡同时发生在导向叶片的压力面;因此,导叶的水力损失增加。为=−10°,导流叶片进口角的匹配的流向叶轮出口,和流邻导叶光滑。本质上,没有发生碰撞或漩涡,导流叶片的流型是大幅改善,和导叶的水力损失减少。

同时,非定常流的轴流泵进行了数值模拟= 0°和=−10°时,放电率是0.45米³/ s。总计算时间设置为8乘以旋转的叶轮,总时间T是0.33103448秒,时间步长t设置为3.448275833×10⁴这是叶轮旋转所需的时间3°。考虑到稳定的流场计算,4旋转后的内部流场进行了分析。tori泵的中间段的流场在不同的时间在一个周期T分别如图15和16为= 0°和=−10°非恒定流数值模拟。当进口角调整是0°,有一种倾向的漩涡在1/4导叶的前面吗T,漩涡出现在前面的导叶在3/4T;它基本上是一致稳定流动数值模拟的结果。当进口角调整−10°,没有涡流导叶的前面整个期间;它是相同的稳定流动数值模拟的结果。

4.6。影响导流叶片进口角的水力损失和效率

4.6.1。的影响在导叶的水力损失

在考虑工作条件的范围,当= 0.45米³/ s,进气角度调整有很强的影响泵段效率 。因此,本工作条件选择进行分析。的曲线 和 为不同的价值在选定的工作条件下如图所示17。在一系列−15°+ 5° ,导叶的水力损失大大增加,增加,而大幅减少。增加更大的放电率条件下,因为增加,进口导叶角之间的不匹配的流向叶轮出口增加,影响流和涡流导叶变得更大(图13),因此,增加。

4.6.2。的影响在导叶效率和

为= 0.25H的曲线 , ,和 对于每一个计算方案如图所示18。主要的能源性能参数= 0°和=−10°泵段= 0.45米³/ s表中列出3。叶轮的头为= 0°和=−10°约等于2.66米和2.69米,分别;当调整从0°−10°,从0.38减少到0.17,因为流型导流叶片的改进。

根据计算叶轮的头和泵的轴功率 ,叶轮效率可以计算如下: 在哪里重力加速度;放电率;和泵的轴功率。的值计算公式(4)= 0°和=−10°表中列出3。

使用计算和 ,导叶效率可以确定如下:

根据公式(4)和(5)、公式(3)可以改变如下:

泵段效率叶轮效率的产品吗和导叶效率 。

的和值= 0°和=−10°,计算公式(5)和(6),表中列出3。

上述结果表明,当调整从0°−10°,和基本上保持不变,叶轮的水力性能不受进口导叶的部分调整。然而,当入口段角是−10°,入口导叶角匹配与流向叶轮出口,导流叶片的流型变得更好,涡是消除,所以从0.38减少到0.17,然后导叶效率和泵段效率从85.7%增加到93.4%相应地从73.5%提高至80.9%。

5。结论

(1)入口段轴向弦导叶的影响泵段效率 。作为的增加,增加较小的放电率的条件下,减少更大的放电率条件下 ;相比之下,减少在较小的放电率的条件下,增加更大的放电率的条件下,当 。当 ,的影响在削弱了。(2)进口角调整的导向叶片泵段效率有着重要的影响 。当入口导叶是逆时针旋转的角度对设计条件,增加较小的放电率条件下;当进口导叶的角度顺时针旋转的设计条件,增加更大的放电率条件下。越偏离设计状态,更大的影响在 。(3)导流叶片进口角之间的匹配和叶轮出口流动方向有很强的影响泵段效率因为流模式是高度敏感的入口导叶的角度偏差;这种流型的变化将直接影响导叶的水力损失。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称他们没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(批准号。51309200,51309200,52079120),中国博士后科学基金资助项目(批准号2013 m540469),江苏计划项目博士后研究基金(批准号1301021 a)。

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