文摘
桨叶角调整不足或制造错误将导致不一致的叶片角轴流式泵。在这项研究中,轴流式泵的水动力特性不一致的叶片角度研究了通过分析水力性能和压力脉动。分析是由执行数值模拟与模型试验相结合。结果表明,相对于没有桨叶角偏差的情况下,桨叶角偏差的情况表现出周期性的变化叶轮中的流场。这些变化导致不均匀压叶轮流道的变化。叶片角度偏差引起的压力脉动的主要是低频脉动;也就是说,它是旋转频率的两倍。主要的振幅频率脉动叶片没有角偏差的1.5 - 3倍。这低频主导整个泵装置容易引起振动和削弱了泵的安全与稳定。桨叶角偏差不稳定特性产生很大的影响。 Hence, blade angle deviation seriously affects the safe and stable operation of axial-flow pumps and pump stations.
1。介绍
轴流式泵的特点是低水头大流量,他们主要依靠旋转叶轮将工作转化为水的动能能量和压力。这些泵广泛应用于南水北调东线工程的在中国和他们发挥重要作用在农业灌溉、城市供水和排水1- - - - - -6]。目前,大型泵站项目一般采用完全可调叶轮。及时调整叶片角度根据操作要求达到节能和安全操作。近年来,随着计算机技术和计算流体动力学技术的发展,数值模拟已经成为一个重要手段,分析泵设备的内部流动和水力特性(7- - - - - -10]。国内外许多专家和学者研究了泵设备上的桨叶角的影响,他们的影响主要集中在叶片角变化对鞍区特点,空化特性和泵装置的不稳定特征(11- - - - - -16]。参考文献(17- - - - - -19)使用数值模拟来研究叶轮出口角对水力性能的影响,离心泵的振动特性和噪声。王等人。20.]探索的影响叶片释放角的变化规律对水轮机水力性能。崔et al。21)发现合适的切削刀片的尾矿角可以提高液压性能,不稳定流动,离心泵的振动。刘等人。22]发现叶片旋转角的增加,最好的效率变化指向一个大流量条件下泵模式和涡轮机模式;作者还分析了叶尖泄漏涡的演变当叶片旋转角度4°和−4°。彭et al。23)表明,增加叶片出口角对降低了多级潜水器泵的空化性能增加了低比转速和叶片的流动分离工作表面。冯et al。24)建立了一个数学模型建立的基础上的最小日常运营成本泵站和总结调整叶片角度的影响泵站的优化运行频率;他们提议调整叶片角度一天四到六次。魏et al。25]分析了扩压器叶片进口角的对潜水泵的性能,发现最大功率点走向大流量的增加叶片进口角,高效区范围变宽。金等。26)进行了多学科优化的潜水器轴流式泵通过使用混合多目标进化算法,采用叶轮的扫描角和螺距角为设计变量;结果显示,提高了泵的水力性能。充分监管的叶轮,每个叶片的角度可能不同,如果调整叶片调整过程中并不顺利。叶轮流道中的流动是复杂的湍流运动,它会影响安全运行和整体泵的水力性能。Bing和曹27,28]发现部分混流泵的旋转偏差影响泵装置的性能,减少了对称和混流泵的压力分布的均匀性。以上主要介绍了桨叶角的研究成果,有很多研究[29日- - - - - -31日结果水力特性,内部流动机制,泵的脉动特征。
叶片角度并不总是正确调整,在轴流式泵和制造的错误是不可避免的。这些情况导致轴流式桨叶角偏差泵。在当前的工作中,数值模拟和模型试验相结合研究的特点,内部和外部的泵装置及其压力脉动流桨叶角偏差。结果预计将提高桨叶角偏差的理解和作为参考泵的安全稳定运行。
2。数值计算
2.1。控制方程
连续方程应用于这项工作的基础上,有限体积法。泵的内部流场,即三维不可压缩湍流,由navier - stokes方程描述。湍流模型采用k- - - - - -ε湍流模型修改湍流粘度考虑旋转和旋转流的平均流量,并能更好地处理高应变速率和程度的流线曲率流。
在标准k-ε湍流模型,k和ε是两个基本的未知数,相应的输运方程是什么 在哪里Gk是一代的湍流动能k由平均速度梯度引起的,Gb是一代的湍流动能k由浮力引起的,Y米是在可压缩湍流脉动脉动扩张的贡献,C1ε,C2ε,C3ε是经验常数,σk和σε普朗特数对应的湍流动能k和耗散率ε分别为,年代k和年代ε是用户定义的源项。
2.2。计算模型
图1显示的三维湍流模型泵装置在这工作。数值模拟领域主要包括入口管,入口锥管、叶轮、导叶和出口管。泵的参数计算如下:叶轮叶片的数量是4,导叶的叶片的数量是7,旋转速度(n)是1450 r / min,叶轮的直径(D)是300毫米,中心比(dh)是0.4,设计流(问d)是360 L / s。没有考虑叶尖间隙的计算。
2.3。网格独立性分析
非结构化网格划分应用于轴流式泵的叶轮,而结构化网格划分是应用于入口管,入口锥管、导叶和出口管。进行局部网格加密是扭曲的部分,如叶轮和导叶,确保数值模拟的准确性。随着程度的网格密度对数值模拟的准确性产生很大的影响,这项工作分析网格的独立性叶轮和以效率为网格的索引(图独立评价2)。如图2,当叶轮的电网增加240万,泵效率波动随着网格数量的增加,和相对效率变化在1%以内,从而满足电网的要求独立。因此,本研究选择240万叶轮网格的基础上网格独立性分析的结果(图3)。
2.4。边界条件
稳定计算,入口条件设置为总压强值自动取款机,和出口边界将质量流量。标准壁面函数用于壁面区域,而墙上设置为无滑动条件。叶轮和导叶之间的接口设置为与圆周速度平均”阶段模型”。进行瞬态仿真计算的基础上稳定的计算结果。叶轮和导叶之间的界面不稳定计算设置为“转子瞬态接口模型。“每个时间步的非定常计算,也就是说,所需的时间为叶轮旋转3°,3.45×10−4年代。所需的总时间是指时间叶轮旋转6革命。
确保收敛的数值模拟结果,本研究以效率的变化(图监测值作为判断依据4)。图4显示效率监测的曲线点的迭代步骤。迭代步骤的数量达到1000时,效率监测值趋于稳定。通过计算机的性能和其他因素考虑,本研究迭代步骤的数目设置为1200。
2.5。计划设置
在这篇文章中,桨叶角偏差指的是不一致在桨叶角调整叶片角度的变化。在没有偏差的情况下,四个叶片的角度一致,如图5(一个)。叶片的方向是逆时针方向积极调整叶片弦(图的中心5 (b))。桨叶角偏差的工作是设置为对称偏差;也就是说,两个对称叶片的角度是相同的。本研究主要集中在泵设备的稳定和不稳定特征对称叶片角偏差,没有桨叶角偏差。方案设计如表所示1。
(一)
(b)
3所示。模型试验
在这项研究中,一个轴流式泵装置作为测试对象。物理模型包括一个入口管,入口锥管、叶轮、导叶、60°弯头管和排水管。叶片的数量是4,导向叶片的数量是7,桨叶角为0°、叶轮直径(D)是300毫米,中心比(dh)是0.4,叶尖间隙控制在0.2毫米。模型图的叶轮、导叶和泵设备如图6。
(一)
(b)
(c)
泵上的物理模型试验装置上进行了高精度水力机械试验台的液压和电力工程的重点实验室。该设备是一个垂直封闭的循环系统。收集不少于18个性能测试点。效率测试系统的综合误差±0.39%。数值模拟结果的可靠性的泵设备相应的验证。
图7比较泵装置的性能预测的数值模拟和模型试验四叶片角度0°。数值模拟结果基本上与模型试验的总体趋势一致。在设计条件下,数值模拟的头是5.78 m,效率是85.01%。模型试验头5.29米,其中头部错误0.49米;效率,效率是84.5%,误差为0.51%。数值模拟和模型试验的区别很小,从而表明数值模拟结果精度高,计算结果是可信的。同时,由于测试中叶尖间隙的存在,头部和效率在高背压条件下很大的错误。总之,在设计条件下数值模拟结果是可靠的。
4所示。结果与讨论
4.1。能源性能预测
泵头由伯努利方程,计算和泵的性能预测的力矩作用在叶片和中心。
头方程如下所示: 在哪里P出是出口截面上的总压泵设备,Pa;P在是入口截面上的总压泵设备,Pa;和是当地的重力加速度,m / s2。
效率方程如下所示: 在哪里Tp叶轮转矩,N·m和ω叶轮的角速度,rad / s。
根据图8叶片在计划我,方案二和方案四世没有角偏差。随着桨叶角的增加,头部和效率曲线转移到大的水流条件。因此,每个叶片的和易性增强,每个方案的最佳泵装置效率基本上保持不变。
比较方案二和方案三显示,泵的性能曲线设备在方案二和方案三基本上是相同的。从能量的角度性能比较,叶片在方案二的可加工性(两个叶片的角度0°和两个叶片+ 4°角),在方案3(4叶片+ 2°角)基本上是一致的。
4.2。叶片表面压力分析
每个方案的叶片压力面图所示9,叶片吸力刀片如图10。压力梯度的四个叶片压力面方案,方案第三和第四方案制服。叶片吸力面减少的压力,然后从叶片进口叶片的出口增加。当问=问cep和泵的叶片在计划我的角度,III, IV逐渐增加,高压区域的范围的裹尸布叶片压力面扩大,随着范围的低压区,在每个叶片的吸力面。因此,叶片的和易性增强。然而,相同流量条件下,叶片角的增加,低压区,在叶片吸力面逐渐增加。这个结果表明,泵的空化性能降低,空化叶片运行时可能发生大角度。
(一)
(b)
(c)
(d)
(一)
(b)
(c)
(d)
数据显示9 (b)和10 (b),当四个叶片的角度不一致,对称叶片的压力分布趋势是一致的。比较在叶片表面压力分布方案二和方案三揭示了能量,虽然表演叶轮的两个方案是相似的,压力分布在每个叶片的压力和吸力面不一致。在第二方案中,由于每个桨叶角的偏差,相邻叶片相互影响。叶片2和4号大角度显示大压差和很强的可加工性。同时,叶片1和3号小角度显示小压差和弱的可加工性。在Scheme中三世,叶片表面的压力分布均匀,和易性水平相等。
4.3。分析叶轮中的流场
比较在轴流式泵叶轮流道的流动特性和研究叶轮中的流动法则,本研究建立了一个简化叶片跨越的速度0.1,0.5和0.9。叶片跨度分布如图11。
数据12和13显示的速度简化叶片横跨在方案二和方案三的最佳工作状态。在叶片的前缘,流入倾向于叶片吸力面,因为进口攻角的变化,从而导致相对较高的速度把精力集中在叶片的前缘吸力面。在方案二,当两个叶片的角度(2号和4)偏差变化4°对称,每个叶片通道之间的流场的均匀性恶化,和速度的分布的前缘吸力面相邻叶片之间的不一致。同时,4°叶片角的速度高于0°桨叶角;在前一种情况中,空化是相对容易诱发。
(一)
(b)
(c)
(一)
(b)
(c)
跨度= 0.1,明显泄漏发生在叶轮出口的两个段落之间的角偏差。它是由于高速流从吸入尾矿的叶片角度偏差下相邻叶片的前面(1和3号),它产生一个对通道的流场的影响。叶片的角度。1,没有。3小,叶片通道流量相对较低,流动的低速和高速流流动。这种情况加剧了湍流扰动的通道,降低了流量,并形成不稳定流动状态,如泄漏。跨度= 0.5和0.9,低速区发展成0°叶片表面的压力,从而影响叶片裹尸布的和易性。
叶片的流场跨在第三方案进行比较,结果表明,泵的流场是均匀和稳定良好的周期性之间叶片通道。此外,没有不稳定流动,如泄漏涡,观察。
4.4。分析轴功率的分析
图14显示的功率变化曲线下的叶片两个叶轮旋转周期内的最佳工作条件。随着叶轮的旋转,轴功率曲线在第三方案显示了小波动和周期性变化明显的规律性。0.036千瓦的最大振幅变化,和平均轴向功率为24.339千瓦。方案二的轴功率不稳定,波动很大程度上在叶轮的旋转。的最大振幅变化为0.056千瓦,方案3的1.56倍。平均轴向功率为24.341千瓦。在第二方案中,每个叶片的角度偏差导致在每个叶轮流道压力变化不均匀和不均匀的力量在每个叶片的表面。这个条件从而导致功率波动大转变。这样的波动影响叶轮的服务安全,导致叶片疲劳损伤和振动。
5。压力脉动特性的分析
总共12个监视点从裹尸布到中心统一安排在叶轮进口,出口,叶轮和导叶出口进一步分析桨叶角偏差对压力脉动的影响轴流式泵装置的性能。监控分P1-P4叶轮入口设置,监测分P5-P8设置在叶轮出口,和监视点P9-P12设置在导叶出口(图15)。旋转频率fn和压力脉动系数Cp用于描述内部设备泵的压力脉动特性。
旋转频率方程如下所示: 在哪里F是通过快速傅里叶变换的频率,赫兹和n旋转速度,r / min。
压力脉动系数方程如下所示: 在哪里P瞬时压力,Pa;P大街平均压力,Pa;和u叶轮圆周速度,m / s。
5.1。叶轮入口的压力脉动特性
根据每个监视的时域特征点在图的叶轮入口16,叶轮进口压力脉动在Scheme中II和III在Scheme中显示明显的周期性。此外,压力脉动逐渐减少的裹尸布的中心,但这两个方案的周期性是不一致的。第三方案显示了良好的周期性的压力脉动在每个监控和统一的压力波动。方案二的压力脉动是明显高于第三方案。峰脉动值的监视点裹尸布的中心是1.53,1.54,1.56,和1.61倍的第三方案。这些结果表明,每个叶片的角度偏差增加叶轮入口的压力脉动。
(一)
(b)
根据图17的频域特征,压力脉动在方案二和方案三转动频率(RF = 4倍fn= 23.56 Hz),叶片通过频率(带通滤波器= 4fn= 94.22赫兹)。压力脉动振幅的增加逐渐从中心到裹尸布。谐波频率方案III RF 8倍。方案二的谐频射频的2倍。在第二方案中,谐振频率的脉动振幅的裹尸布中心占70.13%,71.92%,79.35%,和90.81%的主要频率振幅,分别。这种低频脉动大大影响泵的稳定运行和诱发叶轮振动严重的病例。
(一)
(b)
5.2。叶轮出口的压力脉动特性
每个监视的时域特征点在叶轮出口处标如图18的规律表明,叶轮出口压力脉动的方案二在方案三比叶轮入口。此外,脉动值明显低于峰值叶轮入口,它占不到18%的峰值在叶轮入口。裹尸布的压力脉动逐渐降低的中心。的峰间值值压力脉动系数在每个监视方案二点是2.93,2.63,2.46,和5.48倍的第三方案,分别。压力脉动振幅的波动的中心是显而易见的,主要是由于不稳定的流动,如泄漏,它对应于前面提到的流场。
(一)
(b)
根据图19,不同于在叶轮的进口压力脉动的主要频率在叶轮的出口部分方案二是射频的两倍;谐波频率带通滤波器;和主要频率振幅裹尸布的中心是0.048,0.04,0.031,和0.016,分别。低频压力脉动是占主导地位,这可能是由于大不稳定流动引起的低频波动,如泄漏和漩涡。第三方案的主要频率带通滤波器和谐振频率是射频的8倍。因此,主要的频率在叶轮出口仍然是影响叶片,和频域的最大压力脉动振幅为0.017,占35.42%的方案二。与叶轮入口的频域特征,引起的压力脉动的主要频率叶片在叶轮出口角偏差转化为低频率(RF)的两倍。如此低的频率很容易造成叶轮的振动和危害的安全与稳定。
(一)
(b)
5.3。导叶出口的压力脉动特性
每个监测的时域点出口导叶的人物20.表明,压力脉动的出口导叶明显小于叶轮。两种方案下的压力波动周期,但峰值压力变化在两个方案是无序和可怜的规律性。此外,二次谐波的变化是显而易见的。虽然不均匀压力波动引起的叶片角偏差减少比这更明显的复苏效果后的叶轮进口导流叶片,方案二世的压力脉动仍然是方案3的2 - 3倍。
(一)
(b)
根据图21的主要频率的出口导叶在方案二世仍然射频的两倍;带通滤波器的谐波频率。的主要脉动频率对应的导叶出口只占4.37%的叶轮进口和叶轮的出口的14.55%。第三方案,除了监控的主要频率点票数的裹尸布(即。,BPF), the main frequencies of the other monitoring points are 8 times the RF, and the harmonic frequencies are the BPF. The pressure pulsation caused by blade angle deviation exerts a great influence on the pressure pulsation characteristics in the pump device. The main frequency of pressure pulsation at the outlet of the guide vane is still low frequency (twice the RF), which indicates that the whole operation condition of the pump is in a low-frequency pulsation. This poses great danger to pump safety.
(一)
(b)
通过对比压力脉动在方案二和方案三部分,本研究发现,在叶轮的进口压力脉动振幅最大。叶片角度偏差引起不均匀的压力波动。压力脉动的振幅是叶片没有角偏差的1.5 - 3倍泵装置,在不同的职位和压力波动的规律在每个叶轮旋转周期是贫穷。同时,方案二的每个部分的频率主要是低频率。一方面,这种低频波动导致叶轮表面上的不平衡力和结构的疲劳损伤。另一方面,它可以很容易地导致共振泵压力脉动的频率接近时,泵装置的固有频率。
6。结论
在这项研究中,轴流式泵的水力特性和压力脉动的情况下分析了桨叶角偏差的数值模拟和模型试验。主要结论如下:(1)没有桨叶角的偏差,随着叶片角的增加,泵的增加。此外,效率和头部曲线转向大型流条件。叶片角度倾斜时,相邻叶片产生相互影响。随着桨叶角大,叶片表面上的压差大。随着桨叶角小,叶片表面压力差很小。压力和吸入叶片表面的压力分布在每个刀片不一致。(2)叶片角度倾斜时,泵的流场不均匀。因为进口攻角的变化,流速对叶片的前缘吸力大角度高,和空化容易发生。流场的均匀性恶化,每个叶片之间通道和前沿的速度分布是一致的。(3)叶片角度倾斜时,轴功率不稳定叶轮的旋转期间。此外,叶轮入口的主要频率带通滤波器,在叶轮出口和出口导叶的射频的两倍,这主要是低频脉动。此外,脉动振幅在不同位置的泵设备明显高于叶片没有角偏差。没有任何偏差在桨叶角、轴功率周期性变化,表现出明显的规律性,导致小的波动。在每个部分压力脉动的主要频率的整数倍的带通滤波器。
叶轮的叶片角偏差产生显著影响的流场和振动轴流式泵。因此,它需要广泛的研究关注。
缩写
| D: | 叶轮直径,毫米 |
| 问d: | 设计流程,L / s |
| 问: | 流,L / s |
| dh: | 中心比 |
| ρ: | 的密度流,公斤/米3 |
| P出: | 出口截面上的总压泵设备 |
| P在: | 在进口截面总压泵设备,Pa |
| : | 当地的重力加速度,m / s2 |
| H: | 头,米 |
| η: | 效率,% |
| Tp: | 叶轮转矩,N·m |
| ω: | 叶轮的角速度,rad / s |
| F: | 频率通过快速傅里叶变换,赫兹 |
| n: | 旋转速度,r / min |
| P: | 瞬时压力,Pa |
| P大街: | 平均压力,Pa |
| u: | 叶轮圆周速度,m / s |
| cep: | 最佳效率点 |
| Cp: | 压力脉动系数 |
| fn: | 射频旋转频率,赫兹 |
| 带通滤波器: | 叶片通过频率,赫兹 |
| Gk,Gb: | 一代的湍流动能k |
| Y米: | 脉动扩张的贡献 |
| C1ε,C2ε,C3ε: | 经验常数 |
| σk,σε: | 普朗特数对应于湍流动能k |
| σε: | 普朗特数对应于耗散率ε |
| 年代k,年代ε: | 用户定义的源项 |
| u我: | 流体速度分量的方向坐标x我,米2/秒 |
| t: | 时间,年代 |
| 年代: | 一个广义源项。 |
数据可用性
在本文中得到的所有数据通过物理实验和数值模拟,分别使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称他们没有利益冲突有关的出版。
作者的贡献
数据管理是由Lijian Shi, Penglan黄,姚元。正式的分析是由Fangping汤。朱骏写了初稿。Wenpeng张、刘海宇和晓文张审查和编辑文章。
确认
这项工作得到了国家自然科学基金(批准号51376155);中国江苏省自然科学基金(批准号BK20190914);中国博士后科学基金项目(2019 m661946);自然科学基金中国江苏高等教育机构(批准号19 kjb570002);美国国家科学基金会中国扬州(批准号YZ2018103);和优先级的学术程序开发江苏高等教育机构(批准号PAPD)。