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轴流泵失速和空化流动特性及其性能改善研究

张睿  
【摘要】:失速和空化是轴流泵内部两种典型的非稳定流动现象,易导致轴流泵性能下降,影响轴流泵机组的安全稳定运行。长期以来,研究人员一直试图探寻轴流泵内部非稳定流动的产生机理,以期改善非稳定工况下的轴流泵性能。 本文在构建曲率修正的滤波器湍流模型的基础上,就失速和空化引起的泵内非稳定流动特性进行深入研究,分析在这两种非稳定工况下造成轴流泵性能降低的内部流动机理,在此基础上针对小流量工况下存在的不稳定“马鞍区”和叶片表面流动分离引起的泵性能下降,以及轴流泵空化等问题,分别提出相应的流动控制措施并进行验证分析。本文具体工作包括: 一、曲率修正的滤波器湍流模型的建立及其验证 考虑到轴流泵内部流动具有多尺度、非定常的特点,且过流部件的曲面结构和叶轮的旋转还会引起流动曲率效应,构建了曲率修正的滤波器湍流模型—FBM-CC。经算例测试分析,验证了FBM-CC模型不仅能够捕捉到较为丰富的湍流尺度信息,而且增强了对流动曲率效应的敏感性,提高了受到曲率效应影响的非定常流动的计算精度。 二、失速工况下轴流泵内部流动特性的研究 采用FBM-CC模型对失速工况下轴流泵内部流动进行数值计算,并与实验结果进行对比。结果表明FBM-CC模型不仅能够有效预测轴流泵的水力性能,而且还能捕捉到失速工况下叶轮内部的典型流动结构。对叶轮流场进行BVF诊断分析,发现叶片表面的BVF正峰值区域正是产生不稳定流动并对叶轮做功不利的部位。通过对失速工况下泵内流场分析,发现在靠近叶轮轮毂处存在从叶片尾部流向相邻叶片压力面的流动,并随着失速程度的加剧,该流动区域增大,甚至会堵塞叶轮通道。通过对叶轮进、出口流态的研究,发现流量的减小、叶顶间隙的增大,都会引起叶轮进口回旋流动的增强。研究表明,由于叶轮进口回旋流以及叶片表面分离流造成流道的严重堵塞,导致轴流泵“马鞍区”的形成。 三、空化工况下轴流泵内部流动特性的研究 采用均相流模型,结合FBM-CC模型以及基于输运方程的空化模型,建立空化流动的数值模拟方法,就三维扭曲翼型的云空化流动问题进行算例分析和有效性验证。分析轴流泵装置模型空化性能和叶轮内部空化流场的可视化观测结果,发现叶片表面产生的云空化对于轴流泵性能突降有重要影响。通过对轴流泵内的空化流动进行数值计算,并与实验结果进行对比,结果表明所采用的数值模拟方法不仅能够有效预测轴流泵的临界空化余量,而且还能捕捉实验观测到的叶轮内部典型空化流动现象。研究发现,在逆压力梯度作用下产生的侧向射流会引起叶片表面空泡的脱落,并由此激发多种尺度涡结构而影响叶轮出口流场的均匀性,进而造成轴流泵的水力性能和运行稳定性的降低。 四、轴流泵性能改善的研究 为减轻失速工况下叶轮进口回旋流动对轴流泵性能造成的影响,采用在轴流泵进口锥形管内侧壁均布条状物的辐条流动控制技术,并基于FBM-CC模型,对改进前后的轴流泵模型水力性能以及泵内流动特性进行数值模拟和对比分析。结果表明,辐条控制技术可有效削弱失速工况下叶轮进口处的旋涡强度,提高叶轮进口入流的均匀性以及叶片的做功能力,在一定程度上可以提高轴流泵的效率,并且能有效抑制“马鞍区”的形成,从而使得扬程曲线随流量改变维持稳定的变化趋势。 针对小流量工况下叶片表面的流动分离对轴流泵性能的影响,提出了一种新型的导流式叶轮,即将传统叶片分割为前置小叶片和后置主叶片的形式。在对轴流泵翼型进行参数优化分析的基础上设计了导流式叶轮,并对其进行性能测试。结果表明,导流式叶轮可以提高小流量工况下轴流泵的效率,在一定程度上抑制了“马鞍区”的形成,改善了叶轮进口处的压力脉动特性和泵体的振动特性。采用FBM-CC模型对带有导流式叶轮的轴流泵内部流动进行数值模拟分析,发现在前置小叶片的导流作用下,叶片前缘的流动分离以及深度失速工况时叶片吸力面侧的通道涡等不利的流动现象在一定程度上均受到了抑制。 在叶片吸力面靠近其尾缘处设置挡流条,通过数值模拟,探索了抑制轴流泵空化的方法。结果发现,辐条的宽度变化对空化抑制作用较小,而适当高度的挡流条具有一定的空化抑制作用,但过高的挡流条会引起局部空化程度加强,还会造成局部能量损失增大而引起轴流泵效率的下降。


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