畸變進流條件下軸流泵失穩特性及內流機理研究

《畸變進流條件下軸流泵失穩特性及內流機理研究》是依託揚州大學，由湯方平擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：畸變進流條件下軸流泵失穩特性及內流機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：湯方平
• 依託單位：揚州大學

項目摘要

大型軸流泵裝置在實際運行時，因受到工程現場條件的限制，進水流道往往不能為泵進口提供均勻的進水流場，對軸流泵性能極其運行穩定性產生極大影響。3D-LDV、3D-PIV 測試技術和CFD計算技術發展迅速，在泵內流場測試分析中已普遍套用，但主要集中於軸流泵葉輪自身流動機理的研究。本項目測試分析在畸變入流條件下的軸流泵葉輪失穩特性，利用3D-LDV、3D-PIV測量葉輪內外時均空間流場和間斷跟蹤實時流場，改進軸流泵的非定常計算模型和計算方法，預測水力性能和水壓脈動。通過小波隨機分析等技術手段揭示進口流場對泵葉輪內部流動和性能的影響機理，掌握軸流泵葉輪對畸變入流條件下的回響特性，建立失穩模型，量化畸變入流進口流場結構與軸流泵性能穩定性等指標。研究成果可為進水流道最佳化設計提供更加明確的目標函式，為提高軸流泵穩定性指標的最佳化設計和泵站運行安全可靠性提供重要的理論支撐。

結題摘要

大型軸流泵裝置在實際運行時，因受到工程現場條件的限制，進水流道往往不能為泵進口提供均勻的進水流場，對軸流泵性能及其運行穩定性產生極大影響。本項目通過模型試驗和數值模擬相結合的研究手段對軸流泵失速工況下表現出來的內流場非定常特性進行深入的分析。項目主要研究內容可分為軸流泵小流量工況下的外特性水力性能性能試驗、高速攝像機拍攝葉輪進口及內部的流場結構、葉輪室進出口壓力脈動測試與分析、葉輪內部三維速度場的LDV測試和軸流泵內流場的數值模擬研究五個方面。本項目研究得到的主要創新性成果有，軸流泵流量揚程曲線在通常認為的馬鞍區之前存在另一個拐點，類似一段小馬鞍區，該區域軸流泵內流場運行基本穩定，主要是由於葉輪進口外緣的切向速度受葉輪旋轉的誘導增長較快，引起水流的沖角減小所致。當軸流泵處於不穩定運行區域時，葉片背面尾緣近輪緣側出現不穩定的通道渦結構，對應葉輪進口出現了不穩定的來流速度分布，導致葉輪運行不穩定。在失速前，葉輪近輪轂和輪緣側已開始出現回流結構，失速後，葉輪通道內形成的通道渦帶結構相對葉片保持穩定，渦帶與葉輪旋轉方向相同，一直延伸至葉輪的進口，在此渦帶的影響下，葉輪進口的壓力脈動向來流方向延伸，葉輪出口的壓力脈動峰值開始大於葉輪進口。流量揚程的不穩定為通道渦的不穩定性造成，而失速後，揚程降低是通道渦引起的水力損失過大所致。闡述了壓力脈動分布與葉輪進口切向速度變化的關係。在流量揚程曲線出現拐點的地方，受間隙泄漏渦的影響葉輪進口頻譜圖出現寬頻低頻分布。間隙泄漏渦在擴散的同時，頻率不斷發生變化，引起了進口壓力脈動出現了寬頻低頻的分布現象，且隨著流量減小，葉片正負壓力差值增大，泄漏渦增強，影響範圍擴大，頻率減小，分布範圍向低頻帶遷移。探討了軸流泵失速形成的規律，揭示了軸流泵葉輪內部不穩定流動的三維非定常現象，在擴寬軸流泵的穩定運行範圍和提高軸流泵在極端條件下的應急能力等方面具有重要的社會價值。