变螺距诱导轮流场的数值模拟
角度变化系数对变螺距诱导轮性能的影响
摘
要 ： 在变螺距诱导轮设计 过程 中引入角度变 化系数来控制 型线变化 的规律 ， 利用 自主开发 的诱 导轮设计 软件 ， 选
取代表 ３种不 同特征型线 的角度变 化系数 ， 设计 了 ３台不同型线 变化规律 的变螺距诱 导轮 ， 并通过数 值计算 的方法 ， 研 究 了角度变 化系数 ｍ对诱导轮性能 的影 响。结 果表 明， 诱 导轮的扬程与效率随着角度变化系数 的增加逐渐降低 ， 在 ｍ＝ ０ ． ５时诱 导轮 的扬程与效 率最高 ； 诱导 轮的临界空化余量 随着 角度变化 系数 的增 加而逐 渐降低 ， 在 ｍ： ２时诱 导轮 的空 化性能 最优 。因此 ， 在 进行诱导轮 的角度变化 系数选择时 ， 要 综合 考虑诱导轮的能量特性和空化特性 。 关键 词 ： 诱 导轮 ； 角度变 化系数 ； 汽蚀 ；
文章编号 ： １ ０ ０ ５—０ ３ ２ ９ （ ２ ０ １ ３ ） １ ０— ０ ０ １ ９— ０ ６
流
体
机
械
１ ９
角度变化 系数对 变螺距诱导轮性能的影响
刘厚 林 ， 王 健 ， 王 勇 ， 庄 宿 国 。 吴 贤芳
（ １ ． 江苏大学流体机械及 工程 技术研究 中心 ， 江苏镇江 ２ １ ２ ０ １ ３ ； ２ ． 西安航天动力研究所 ， 陕西西安 ７ １ ０ １ ０ ０ ）
ｖ ａ ｒ ｉ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｌ ａ ｗ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｔ ｙ ｐ ｅ ｌ ｉ ｎ ｅ ． Ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｉ ｔ ， ｔ ｈ ｒ ｅ ｅ ｖ ａ ｒ ｉ ａ ｂ ｌ ｅ ｐ ｉ ｔ ｃ ｈ ｉ ｎ ｄ ｕ ｃ ｅ ｒ ｓ ｗ ｉ ｔ ｈ ｄ ｉ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ａ ｎ ｇ ｕ ｌ ｒ ａ ｖ ａ ｒ ｉ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ｏ ｅ ｉｃ ｆ ｉ ｅ ｎ ｔ ｗｅ ｒ ｅ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｅ ｄ ｖ ｉ ａ ｓ ｅ ｌ ｆ － ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｅ ｄ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗａ ｒｅ ． Ｔ ｈ ｅ ｎ， ｔ ｈ ｅ ｎ ｕ ｍｅ ｉ ｒ ｃ ａ ｌ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｗ ｅ ｒ ｅ ｐ ｅ ｆ ｒ ｏ ｒ ｍｅ ｄ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｇ ｉ ｖ ｅ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｈ ｅ ａ ｄ ａ ｎ ｄ ｅ ｆ ｆ ｉ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｙ ｏ ｆ ｉ ｎ －
变螺距诱导轮出口角对氢泵流场及性能的影响
变螺距诱导轮出口角对氢泵流场及性能的影响贺雷*曹耀北京航天动力研究所 北京 100076摘要：为了研究变螺距诱导轮出口角对氢泵流场及性能的影响，以某型液体火箭发动机带变螺距诱导轮的氢泵作为研究对象，选取3种诱导轮出口角（轮缘），分别为12°、14°和16°，采用数值仿真的方法分析了不同诱导轮出口角对氢泵流场分布、水力性能和汽蚀性能的影响，并且进行试验验证。
结果表明：适当增大诱导轮出口角，可以改善诱导轮出口的流场分布；在一定范围内增大诱导轮出口角，氢泵不同流量点的扬程和总效率都会获得提升，但是继续增大出口角到16°时，氢泵扬程提升效果减弱，且总效率有所下降；随着诱导轮出口角增大，氢泵的汽蚀性能先提升后降低。
关键词：氢泵 变螺距诱导轮出口角 水力性能 数值仿真中图分类号：V245文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2024)02-0088-03 The Influence of the Outlet Angles of Variable-Pitch Inducers on the Flow Field and Performance of Hydrogen PumpsHE Lei*CAO YaoBeijing Aerospace Propulsion Institute, Beijing, 100076 ChinaAbstract:In order to study the effect of the outlet angles of variable-pitch inducers on the flow field and perfor‐mance of hydrogen pumps, this paper takes a hydrogen pump with the variable-pitch inducer of a certain type of liquid rocket engine as the research object, selects three types of the outlet angles (wheel rims) of the inducer, which are 12°, 14° and 16°, respectively, uses the numerical simulation method to analyze the influence of different outlet angles of the inducer on the flow field distribution, hydraulic performance and cavitation performance of the hy‐drogen pump, and carries out experimental verification. The results show that increasing the outlet angle of the in‐ducer appropriately can improve the flow field distribution at the outlet of the inducer, increasing the outlet angle of the inducer within a certain range can improve the head and total efficiency of the hydrogen pump at different flow points, but when the outlet angle is further increased to 16 °, the effect of improving the head of the hydrogen pump weakens and total efficiency decreases, and that the cavitation performance of the hydrogen pump first im‐proves and then decreases with the increase of the outlet angle of the inducer.Key Words: Hydrogen pump; Variable-pitch inducer outlet angle; Hydraulic performance; Numerical simulation涡轮泵作为泵压式液体火箭发动机中增压输送推进剂的关键部件，需具有较好的抗汽蚀能力以适应液体火箭的低储箱压力，通常在离心泵前加装诱导轮结构以获得较好的汽蚀性能［1-3］，因此诱导轮设计的好坏决定了涡轮泵是否能够在低箱压、高转速下高效、稳定地工作。
诱导轮性能影响因素的数值模拟及试验研究
.38 •2020年第3期诱导轮性能影响因素的数值模拟及试验研究张晓娜安阳堵宝鑫(北京航天动力研究所，北京；100076)摘要：诱导轮汽蚀性能是提高泵抗汽蚀性能的关键因素，也是降低火箭发动机储箱重量的关键因素。
本文采用AN-SYS Fluent软件对9种不同叶片进出口安装角变螺距诱导轮方案进行了数值模拟计算，全面分析了叶片进口、出口安装 角对诱导轮水力性能及汽蚀性能的影响规律。
同时通过水力试验台采用2台基础泵分别对9个诱导轮方案进行水力性 能和汽蚀试验，获取了诱导轮叶片进口、出口安装角对泵水力性能及汽蚀性能在水介质下的影响规律，为设计高汽蚀 变螺距诱导轮提供了依据和经验。
关键词：变螺距诱导轮进口、出口安装角汽蚀性能数值模拟试验中图分类号：TH311 文献标识码：A引言火箭发动机的高速高压和高效化发展，对泵汽 蚀性能提出了更高的要求。
而诱导轮作为提高离心 泵汽蚀性能和降低发动机储箱重量的关键件得到了 广泛的应用。
近年来，国内外研究者对诱导轮设计 方法开展了大量而深入的研究。
从研究结果来看，相比于等螺距诱导轮，变螺距诱导轮以较小的叶片 进口安装角获得了较小的进口流量系数，从而保证 诱导轮具有良好的汽蚀性能，同时，以较大的叶片 出口安装角获得了足够的扬程，从而能够更好的满 足离心泵进口能量需求。
因此，在变螺距诱导轮的 研究方面出现了许多优秀的设计理念和方法。
在变 螺距诱导轮设计中，朱祖超等[1]阐述了变螺距诱导 轮的设计原理，建立了汽蚀性能和出口扬程的理论 计算公式，从而为高汽蚀性能诱导轮高速离心泵机 组的设计奠定了理论基础。
孙建等[2]较为系统完善 地提出了一套变螺距诱导轮的设计步骤。
刘厚林 等[3]研究了角度变化系数m对诱导轮性能的影响，认为诱导轮的扬程与效率、临界空化余量随着角度 变化系数的增加而逐渐降低。
宋沛原等[4]针对轮毂 形状对诱导轮性能进行了研究，认为轮毂型线对诱 导轮扬程有显著影响。
诱导轮对航空燃油离心泵性能影响的研究
诱导轮对航空燃油离心泵性能影响的研究吴国鸿;杨军虎;安策【摘要】目前,对诱导轮对航空燃油离心泵的性能影响认识不足,针对此问题,设计了等螺距和变螺距两种形式的诱导轮,对其进行数值研究.在数值计算过程中,对采用等螺距诱导轮、变螺距诱导轮和不采用诱导轮三个模型在0.6Q、0.8Q、1.0Q、1.2Q、1.4Q五种工况下进行数值模拟,得到了外特性曲线以及泵内流场速度、压力分布.分析结果表明:在燃油泵主叶轮前添加诱导轮,可以小幅度提升泵扬程,较大程度提高泵的效率,相比于等螺距诱导轮,变螺距诱导轮的改善效果更好;添加诱导轮后,主叶轮入口流动情况得到改善,尤其在大流量工况下,低压区的分布减少,诱导轮对泵内流动的影响主要在叶轮进口处.%Target at the problem that the insufficient understanding about the influence of inducer on avia-tion fuel centrifugal pump performance,design two kinds of inducers which are constant pitch and variable pitch and conduct the numerical analysis on them.During the numerical calculation process,conduct the nu-merical simulation on three models which adopts constant pitch inducer,varying pitch inducer and no in-ducer respectively under five different working conditions of0.6Q ,0.8Q ,1.0Q ,1.2Q and 1.4Q ,obtain the external characteristic curve and flow field speed and pressure distribution inside the pump.By analyzing the results,it shows that add the inducer in front of the main impeller of fuel pump can improve the pump lift in a small extent and improve the pump efficiency in a relative large extent,the improving effect of var-ying pitch inducer is better than it of constant pitch inducer;after the inducer is added,the flow situation in the inlet of main impeller has beenimproved,especially under the condition of large flow rate working con-dition,the distribution in low pressure area decrease and the influence of inducer on pump internal flow mainly exists in the inlet and outlet of impeller.【期刊名称】《甘肃科学学报》【年(卷),期】2017(029)003【总页数】4页(P73-76)【关键词】航空燃油离心泵;诱导轮;变螺距【作者】吴国鸿;杨军虎;安策【作者单位】兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州 730050;兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州 730050;兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州 730050【正文语种】中文【中图分类】TH311航空燃油离心泵大部分时间在高空环境中运行[1]。
我国制导兵器技术研究进展
［ ］ 孔繁余 ， ３ 吕毅 ， 黄建 军， 等．变螺距诱 导轮 流场的数
图 ｌ 靠近 轮 缘 Ｂ Ｂ流 面 的相 对 速 度 分布 ６ ２ 值模拟［］ Ｊ ，农 业 机 械 学报 ，０７ １ ）４ ４ ． ２ ０ （０ ：５— ８
７ ４
四 川 兵 工 学 报
１ ）基于 Ｃ Ｄ技 术采 用 Ｎ ＭＥ Ａ软 件对 变螺距诱 导 Ｆ Ｕ Ｃ 轮内部流场的数值模拟和分 析是可行的。 ２ ）本文中设计 的变螺距诱导轮 提高了主叶轮进 口工
质 的能 量 ， 消除 了主 叶 轮 轮 缘进 口的 汽蚀 。
３ ）内部流场分析表明 ， 诱导轮叶片尾缘到 出口的压力 会有 一定 的下 降 ， 以诱导 轮 和主 叶轮之 间 的距 离不 能 所
太大 。 ４ ）诱导轮 的作用不仅限于保证汽蚀余量 ， 还对整体性
能有着至关重要 的影响 ， 导轮设计 的好可 以使扬程 和效 诱
率 得 到 大 大提 高 。
图 １ 中 间流 面 Ｂ Ｂ流 面 的相 对 速 度 分 布 ５ ２
５ ）通过对诱 导轮内部 流场 的数值模拟和分析 ， 验证 了 设计 的合 理性 ， 提高 离心 泵的 汽蚀特 性有 一定 的参考 对 作用。
［ ］ 关醒凡．泵的理论与设计 ［ ． ４ Ｍ］ 北京： 机械 工业 出版
社 ．９ ７ １８ ．
４ 结论
通过对 变 螺距 诱 导 轮 的数 值 模 拟 ， 以 得 出 以 下 可结论Biblioteka ： （ 任编辑 责 周江川）
参考文献 ：
孙建 ， 繁余．变螺距诱 导轮 的设计 步骤及 参数选 孔
择 ［］ Ｊ ．流体 机 械 ，０ ６ ３ （ ） １ ２ ． ２０ ，４ ４ ：９— ２ ［ ］ ＦＮ ｕｅ ｉａｕ１ Ｉ Ｅ ｖｒｉ ７ １ Ｍ］ ｕ ｅａ ２ Ｉ Ｅ ｓｒ ｎｎａ．ＦＮ ｅｓ ｎ ． ［ ．Ｎ ｍ ｃ ｏ
带诱导轮离心泵流场数值模拟
Numerical Simulation of Flow Field in a Centrifugal Pump with InducerWei Chao 1 Zhong Weicong 2 Zhang Feng 21. College of Astronautics, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China2. Xi ’an Aerospace Propulsion Institute, Xi ’an 710100, ChinaAbstract: Based on the N-S Equation and the non-structured mesh technology, the 3D steadyincompressible turbulent flow within a centrifugal pump with inducer was simulated. The internal static pressure distribution, velocity distribution and the delivery head were obtained. Moreover, cavitation was also analyzed. The numerical results show that cavitation mainly happens at the outer edges of the entrance blades and the roots of the exit blades in the inducer, the hub entrance and the roots of part blades in the centrifugal wheel. It ’s found that cavitation is related with the assembly angle of the inducer and centrifugal wheel. The numerical results agree with the experimental data very well.Keywords: inducer; centrifugal pump; numerical simulation; cavitation1 IntroductionThe delivery head, mass flux, efficiency and cavitation performance of pump are important for the design of turbopump-fed liquid rocket engine. The prepositive inducer is usually used to improve the cavitation performance of centrifugal pump. In the conventional R&D mode of pump, the relationships of performance parameters and structure are estimated by empirical formulae. As a result, it ’s difficult to control the R&D duration and R&D cost. With the development of CFD technology, the parameters, such as velocity, pressure and cavitation degree, can be obtained by numerical simulation method. The method is proved valid and becomes more and more important in the R&D process of pump. The paper simulated the 3D steady incompressible turbulent flow within a centrifugal pump with inducer using CFD method. The internal static pressure distribution, velocity distribution and the delivery head were obtained. Moreover, the cavitation was also analyzed.2 Modeling2.1 Governing equationsIn the paper, the 3D steady incompressible turbulent flow within the centrifugal pump was simulated with the standard ε-k turbulent model. The governing equations are as follows [1-3]: 2.1.1 Continuity equation()0=∂∂+∂∂jju x t ρρ (1)2.1.2 Momentum equation()()i i j i i i i ji j i j ij ji F g x u xx u x x p x u x u u x u t-+⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂∂∂-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂+∂∂+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂=∂∂+∂∂ρμμμρρ32 (2)The turbulence kinetic energy,κ, and its rate of dissipation, ε, are obtained from the following transport equations:ρμκσμμκρκρ-∂∂+∂∂∂∂+∂∂+∂∂=∂∂+∂∂)(])[(ij j ij i tj k tjjix u x u x u x x x u t(3) κερμεεσμμερερε221)(])[(c x u x u x u k c x x x u t i j j i j i t k t k k k -∂∂+∂∂∂∂+∂∂+∂∂=∂∂+∂∂ (4) The turbulent viscosity,t μ, is computed by combining κand εas follows:εκρμμ2C t = (5)The model constants μC ,1C ,2C ,εσ and εσ have the following default values: 44.1=μC ，44.11=C ，92.12=C ，3.1=εσ，0.1=κσ。
新型直驱式高速部分流泵设计及流场模拟与数值分析
形流道。
使 用 Ａ Ｓ Ｓ Ｆｕｎ 前处 理 软件 Ｇ ｍ ｉ划 分 网格 ， Ｎ Ｙ — ｌｅｔ ａ ｂｔ 采用非结构化混合 网格 Ｔ ｉ Ｇｒ ｄ划分整个模型 。该 网格 主 要 由四面体组成 ，局部位置 由六 面体 、椎 体及楔形体组 成 ， 好地处 理复杂模型的网格戈 分。 很 ０ 叶轮及环形蜗壳的 最大划分 尺寸 为 １ 叶轮的划分 单元数 为 １０ ９ ４ 蜗 壳 ， ７９ ． ３
科 同 ８
ｉ 谲
新 型直驱 式高速部 分流泵设计
及 流场 模 拟 与 数 值 分析
李 金 根
（ 安徽 省科 技研 究开发 中心 ）
摘 要 ： 文设 计 了一 种新 型 直驱 式 变频 高速 部 分流 泵 ， 基 于 ｝ ａ 卜Ａｌａ 一 型 建 立 了直 驱 式 变频 高 衣 并 ｒｃ １ 、 ｌ ’ ｌ ｌ 模 ｍ 速 部 分 流 泵 的湍 流 模 型 ， 用有 限元 数 值 计 算 ， 别 对 蜗 壳 、 导 轮 及 叶轮 流 场 进 行 分 析 ， 证 了设 计 采 分 诱 验 的合理性 ． 为该 型 高速 泵 的研 究提 供 了理 论 支持 关键 词 ： 驱 式 变频 高 速 泵 湍 流 模 型 有 限元 Ａ Ｓ＇ 直 Ｎｈ Ｓ
一
种轴流式叶轮， 采用等螺距锥形诱导轮， 通过选择较大的叶栅
一
、
引 言
稠密度， 较小的进 口冲角， 较大的进 １ ５ 过流面积， 和主叶轮匹配 得当， 能够改善叶轮进１的流动情况， ： ３ 不影响泵的效率。本文采 用叶轮前置诱导轮， 能够极大地提高泵的抗汽蚀性能。 三、 湍流 模型 建 立
ｉ ， — ） 中ｏ为 流 转 量且 Ｉ＋ ｍ（ ｌ Ｉ其 ，ｊ层 旋 张 ， ｌ ｎ Ｉ 。 ０ ｉ
诱导轮内流场数值计算及汽蚀特性分析_郭晓梅
0 前言*
离心泵内的汽蚀破坏是造成离心泵故障的重 要原因之一。提高离心泵的汽蚀性能是离心泵设计、
∗ 国家自然科学基金(50576088, 20706049)、国家重点基础研究发展计划 (973 计划，2009CB724300)和水利厅重点(RB0919)资助项目。20090314 收到初稿，20090913 收到修改稿
3. The State Key Lab of Fluid Power Transmission and Control, Zhejiang University, Hangzhou 310027)
Abstract：In order to obtain the distributions of velocity, pressure and turbulence in inducers, on the basis of SIMPLEC algorithm, the
的守恒形式可以写成
∂U ∂t
+
∇
i
F1
+
∇
i
Fv
=
Q
(1)
式中 F1 , Fv ——无粘与粘性通量 U ——待求解守恒变量
Q ——源项，包含离心力和科氏力的
作用
湍流模型选用 k -ε 湍流模型[16]
( ) ⎧⎪⎪k
=
1 2
u′2 + v′2 + w′2
⎨ ⎪ε
=
μ
∂ui′
∂ui′
(2)
⎪⎩ ρ ∂x j ∂x j
月 2010 年 2 月
诱导轮空化流动数值模拟
ｈ ａ ｅ ｆｒ ｎ ｅ Ｗａ ｂ ａｎ ｄ Ｖ ｐ ｒｖ ｌ ｍｅ ｆａ ｔ ｎ ｎ ｅ ｉ ｅ ｅ ｔ ｍａ ｓ ｆ ｗ ｒ ｔｓ ａ ｄ ｄ ｆ ｒ ｎ ａ ｉｌ ｔ ｌａａ ｃ ｓ ｗｅ ｅ ｄ Ｄ ｒ ｍａ ｃ Ｓｏ ｔｉ ｅ ． ａ ｏ ｏｕ ｒ ｃｉ ｓ ｕ ｄ ｒｄ ｆ ｒ ｎ ｓ ｏ ａｅ ｎ ｉ ｅ ｅ ｔｒ ｄａ ｉ ｃｅ ｒｎ ｅ ｒ ｏ ｏ ｆ ｌ ｆ ｐ ｅ
维普资讯
２０ ０７年第 ３ 卷第 １ ５ 期
文章编号 ： １０ －０ ２ （０ ７ 叭—ｏ ２ —０ ０ ５－ ３ ９ ２０ ） － － － ｏ１ ４
高速泵变螺距诱导轮的设计分析_朱祖超
收稿日期:1996-10-17朱祖超 浙江大学化工机械研究所 博士生,310027 杭州市王乐勤 浙江大学化工机械研究所 副教授汪希萱 浙江大学化工机械研究所 教授 博士导师高速泵变螺距诱导轮的设计分析朱祖超 王乐勤 汪希萱 【摘要】 通过分析诱导轮设计的理论基础,建立了比较完善的变螺距诱导轮设计方法,给出了其主要参数的计算公式,按照本文方法设计的一台高速泵变螺距诱导轮取得了很好的汽蚀性能。
叙词:高速泵 诱导轮 设计1 引言宇航技术和石化工业的飞速发展对高速诱导轮离心泵的汽蚀性能提出了更高的要求。
诱导轮既要具有较好的汽蚀性能,又要保证产生的扬程能够满足离心轮入口的能量要求,从而使高速泵能够无汽蚀地运行。
诱导轮的汽蚀性能主要由其入口决定,要使诱导轮具有较高的汽蚀性能,就要取较小的进口流量系数和进口叶片角,而诱导轮的扬程主要由出口决定,要使诱导轮产生较高的扬程,就要取较大的叶片出口角,因此应将诱导轮设计成变螺距结构。
但目前国内外公开发表的文献对高速泵变螺距诱导轮的理论研究和设计方法却很少报道。
本文主要对变螺距诱导轮的理论基础和设计方法进行分析探讨。
2 诱导轮设计理论基础诱导轮设计的原则是使诱导轮产生的扬程能够满足离心轮入口的能量要求,从而保证泵机组的汽蚀破坏发生在诱导轮的汽蚀断裂之后。
2.1 诱导轮的汽蚀性能在进口流场均匀的条件下,诱导轮的汽蚀余量N P S H i 可计算如下N P S H i =C 212g +λW 212g (1)式中 C 1、W 1——分别为诱导轮进口前液流的绝对速度和相对速度 λ——汽蚀系数根据进口速度三角形和进口流量系数的定义Oind =C 1/U t ,即可导出N P S H i =0.0117(1-Rd 21)-1Q 1n1(1+λ)O 31ind +λO-1ind (2)式中 Q ——流量 n ——转速 D t ——诱导轮叶尖直径Rd 1——进口轮毂比 O ind ——进口流量系数1997年12月农业机械学报第28卷第4期当λ=2O 2ind1-2O in d(3)时,N P S H i 将取得极小值N P S H i =0.0352(1-Rd 21)-1Q 1(n O ind )31(1-2O 2in d )-1(4)因此设计时应尽量满足式(3)的要求。
诱导轮离心泵空化不稳定性数值预测研究
笔者 以某 前 置等 螺距 诱 导轮 离心 泵为 研究 对 象， 额定 参 数 为 ： 流 量 Ｑ ＝１ ０ ５ ｍ ／ ｈ ， 扬程 Ｈ＝ ３ ６ ｍ， 转 速 ｎ＝１ ４ ２ ０ ｒ ／ ｍｉ ｎ 。离 心 泵 叶 轮 和诱 导 轮 的几 何参 数 如下 ：
进 口直 径 Ｄ ， １ ５ ０ ｍｍ 出 口直 径 Ｄ ， ３ ５ ０ ｍｍ 出 口宽 度 ｂ ２ ０ ｍ ｍ 叶片数 Ｚ ６ 轮 缘直 径 Ｄ ． １ ５ ０ ｍｍ 轮 毂直 径 ｄ ６ ０ ａ ｒ ｍ
率 方 向发 展 。运行 稳 定性 是离 心泵 最 主要 的三 大
流场 结构 ¨ “ 。笔者 基 于数 值 模 拟 方 法 ， 对 诱 导 轮离 心泵 内部 空 化不 稳定 性进 行 数值 预测 。
１ 研 究对 象和 计算 方 法
１ ． １ 诱 导轮 离心 泵模 型
性 能 指标 之一 ， 其 中 空化 性 能 不 仅 决 定 着 机 组 的 稳 定性 ， 还会 影 响泵 的效率 、 使 用 寿命 等 。影 响泵 运行稳 定 性 的 因素 可 归 为 流 动 不 稳 定 性 ， 管 路 共
叶片厚 度 ６ ２ ｍ ｍ
叶片数 Ｚ ； ３
为 了较 准 确地 反映 诱导 轮离 心 泵 内的空 化 流 动， 在模 型 的建 立过 程 中 ， 考 虑 了诱 导轮 和 叶轮周 向、 轴 向 的相对 安放 位 置和 前 口环 间隙 的影 响 ， 在
离心泵变螺距诱导轮的开发
满足诱导轮本 身的汽蚀性能要求以及 离心叶轮入 口压力性能的要求． 基于诱导轮水力计算方法， 分 析 了变螺距诱 导轮 的汽蚀 性能及 变螺距诱 导轮 重要 参数组合 ， 究 了诱 导轮 的螺距 变化规律 ， 出 研 给 了变螺距诱导轮应用实例 ， 通过对不同的诱导轮的试验 ， 结果表 明， 配置变螺距诱导轮的泵组具有 良好 汽蚀 性能． 于所介 绍的设计 方 法 ， 鉴 考虑 一定 的尺 寸 、 结构 等 因素 ， 出 了一 组 变螺 距诱 导轮 ， 推
孔繁 余 ， 建 军 ，吕 毅 ， 黄 景
摘
斌
（ 苏 大 学 流体 机 械 工 程技 术研 究 中心 ， 苏 镇 江 ２ ２ １ ） 江 江 １０ ３
要 ：为 了提 高 离心 泵的抗 汽蚀性 能 ， 离心泵 叶轮入 口处 配置 变螺距诱 导轮 ， 导轮设 计 为 变 在 诱
螺距 结构 ， 以较 小的叶 片入 口角获 得较 小的进 口流 量 系数 ， 以较 大 的叶 片 出 口角产 生 足够 的扬 程 ，
ｖ ｌ ｐ ｅ ｔ ｏ ａ ｉ ｂ ｅ— ｐ ｔ ｈ ｉ ｄ ｃ ｒ ｎ ｃ ｎ ｒ ｆ ｇ ｌｐ ｍ ｐ ｅ ｏ ｍ ｎ ｆｖ ｒａ ｌ — ｉｃ ｎ ｕ ｅ ｓ ｉ ｅ ｔ ｉｕ ａ ｕ
Ｋ Ｎ ａ —ｕ ＨＵ ＮＧＪａ － ｎ Ｌ）Ｙ ， ＮＧＢ ｎ Ｏ Ｇ Ｆ ｎｙ ， Ａ ｉｎ ｕ ， ｔ ｉ ｒ ｉ ｊ ｉ
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第２ ６卷 第 ３ 期 ２０ ０ ８年 ５月
排
灌
机
械
பைடு நூலகம்
Ｖｏ ． ６ Ｎｏ ３ １２ ． Ｍａ ０ ８ ｙ２ ０
Ｄ ａｎ ｇ ｎ Ｉｒ ａｉｎ ｒ ｉ ａ ｅ ａ ｄ ｒ ｇ ｔｏ Ｍａ ｈ ｎ ｒ ｉ ｃ ｉｅ ｙ
变螺距诱导轮的设计计算
收稿日期: 2005 08 12 3 江苏省科技建设计划项目 ( 项目编号: BM 2002805) 孙 建 江苏大学流体机械工程技术研究中心 硕士生, 212013 镇江市 孔繁余 江苏大学流体机械工程技术研究中心 教授 季建刚 江苏大学流体机械工程技术研究中心 硕士生 孔祥花 江苏大学流体机械工程技术研究中心 硕士生
( 11)
为 获取最大汽蚀比转数 C 值, 可把 Ν 1、 Κ看作常 数, 由 C 对 <t1 求导并令其结果为零, 可得 <t1op t = 即
= Κ
Κ ) 2 ( 1+ Κ
( 12) ( 13)
2<2 t1op t 1- 2<2 t1op t 将式 ( 13) 代入式 ( 11) 得
C = 389
应于 b 线; 当m > 1 时, 对应于 c 线。 通过上述分析, 应取 m ≥1, 显然, 选取 m 值后, 只要确定了诱导轮入口和出口处的螺距值, 就可由 式 ( 2) 计算出任意轴向位置处的螺距值。 以下将着重 研究入口和出口螺距值的计算方法。
2 入口螺距 S 1 的计算
计算依据: 诱导轮入口无汽蚀。 由定义可知
Cm 1 = Q 4Q 4Q = = 2 2 2 F 1 Π(D 2 Π D t1 ( 1- Ν t1 - d h 1 ) 1)
现令 S 为螺距, x 为螺旋叶片旋转某一角度后 的弧长。
( 1) S = ax + b 利用进出口条件 ( x = x 1 = 0 时, S = S 1; x = x 2 时, S = S 2 ) , 可得 1 S 2- S 1 m ( 2) S= x + S1 1
4 369
C=
用式 ( 19 ) 计算出的入口螺距值必须圆整为整 数, 并考虑工艺可能性, 进行适当调整。
高性能变螺距诱导轮设计分析
线型 1与线型 5设计诱导轮叶片将具有更高的汽蚀 性能和水力效率 。
图 5 轮缘处叶片两表面压力差随轴向位置分布
2. 4. 2 不同螺距变化规律条件下诱导轮性能 对比
由数值计算得出 ,叶片前缘静压力降低程度与 叶片负荷的均匀度如图 6 所示 ;水力效率和扬程如 图 7所示 。
图 6 前缘最大静压力降与叶片负荷的均匀度
2. 4. 3 对比结果 高性能诱导轮的一个重要特征是在保证做功能
力条件下自身具有良好的进口性能即较小的必需汽 蚀余量 。因此叶型的设计应尽可能减少静压力降并 保证叶片的负荷分布均匀 ,减少汽泡的产生 、减轻叶 片的汽蚀破坏 ,获得较高的水力效率 。
由图 6, 7 可以看出 :采用线型 1与线型 5 的叶 片入口静压力降较小 ,且压力负荷均匀 ,因而具有较 好的汽蚀性能 ,而且可以得到较高的水力效率 ;图 7 中可以看出 :采用线型 2、线型 3、线型 4的叶片设计 有较高的压升能力 。五种线型计算结果表明 :采用
特性 [ J ]. 水泵技术 , 1977. [ 7 ] 吴玉珍. 诱导轮流动特性数值模拟及实验研究 [D ]. 中国运载
火箭技术研究院博士论文 , 2006.
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J i Fengle i W u Y uzheng
(B eijing A erospace P ropu lsion Institu te, B eijing 100076)
Abstract Several designing methods of varying screw2p itch inducer are introduced in this article. The numerical calculation was car2 ried out so as to compare the p ressure drop at the leading edge of blades, the hydraulic efficiency and the head created when screw2 p itch was varied. Keywords inducer, numerical calculation, cavitation performance
诱导轮对离心泵汽蚀影响的数值模拟研究
诱导轮对离心泵汽蚀影响的数值模拟研究离心泵的应用十分广泛,在农田灌溉、石油化工、轻工食品业、城市排给水、船舶工业和采矿业中都扮演着重要角色。
在实际使用过程中,汽蚀很大程度上限制了离心泵的效率和性能。
目前防止泵汽蚀的主要措施是提高装置汽蚀余量,但是要从根本上提高泵的抗汽蚀性能,还需要对泵加装诱导轮并进行结构优化。
本文设计了一种可以输送清水及类似清水介质的单级单吸式诱导轮离心泵,利用Proe(Pro ENGINEER)软件进行整机流场的三维实体建模,再将模型导入ANSYS软件中模拟,得出不同汽蚀余量下的叶轮气体体积云图、诱导轮叶面的速度矢量图、诱导轮上气泡体积分数为10%的等值面图等,同时通过对模拟数据进行处理分析预测诱导轮离心泵的空化曲线。
结合以上数值模拟方法,改变诱导轮的叶数、后掠角以及其与离心泵之间装配间距等结构参数,对组合好的离心泵整机模型进行模拟,通过分析模拟结果得出最佳的诱导轮离心泵结构。
结果表明:(1)加装诱导轮之后,离心泵叶轮上低压区域分布范围明显减少、临界汽蚀余量显著降低,并且当汽蚀发生时,有诱导轮的离心泵扬程下降更缓慢。
(2)单叶片诱导轮存在结构上的不对称性,叶片对轴截面流体做功不平衡,运行不稳定。
双叶片诱导轮叶片数较小,叶间排挤小,可能会出现交替汽蚀的情况。
三叶片诱导轮能保证流体速度和压力的均匀分布,将气泡压控在轮缘区域,防止扩散,又能给主叶轮入口处液体较大的旋转分量,降低其相对速度,可以有效提高泵的抗汽蚀性能。
(3)后掠角较小时,进口液体增压过程短,气泡向轮缘移动速度慢。
后掠角较大时,进口冲角增大,进口处液体对于诱导轮的冲击也随之增大,造成更加严重的汽蚀情况,使得汽蚀性能降低。
本次模拟的最佳诱导轮后掠角为120°。
(4)装配间距过大,主叶轮的回流和泄漏更严重。
装配间距过小时,诱导轮与叶轮之间排挤增加,流体湍动增强。
靠近后盖板区域有较强湍流,气泡不易扩散。
模拟研究得出最佳装配间距为10 mm。
变螺距诱导轮流场的数值模拟
2007年10月农业机械学报第38卷第10期变螺距诱导轮流场的数值模拟3孔繁余 吕 毅 黄建军 孙 建 【摘要】 在泵叶轮进口前置变螺距诱导轮能有效地提高泵机组的抗汽蚀性能。
基于CFD 技术,采用F luen t 软件对变螺距诱导轮进行几何建模、选定边界条件等,数值模拟计算其内部流场。
结合变螺距诱导轮的实例,给出了变螺距诱导轮内部速度与压力的分布情况以及粒子流动迹线图,得到了其内部流场的主要特征。
关键词:水泵 诱导轮 变螺距 流场 数值模拟中图分类号:TH 311文献标识码:ANu m er ica l Si m ula tion on Flow F ield of Var i able -p itch I nducersKong Fanyu 1 L üY i 1 H uang J ian jun 1 Sun J ian2(1.J iang su U n iversity 2.H am ilton 2S und strand Ind ustria l (S hang ha i )Co .,L td )AbstractA n inducer in stalled befo re the in let of p um p i m p eller can efficien tly resist the cavitati on ,how ever ,it is lack of research in the flu id field abou t the variab le p itch inducer at p resen t .B ased on CFD techn ical and F luen t p rogram ,the flu id field abou t variab le p itch inducer w as num erical si m u lated .R elated to the exam p le of the variab le p itch inducer ,in it ,the distribu ti on of velocity and p ressu re w ere taken ou t and the trace of the p article w as p lo t and the m ain characteristics of the in teri o r flu id field w ere described .Key words Pum p ,Inducer ,V ariab le 2p itch ,F lu id field ,N um erical si m u lati on收稿日期:2006-10-163江苏省高技术研究项目(项目编号:2004040)孔繁余 江苏大学流体机械工程技术研究中心 教授,212013 镇江市吕 毅 江苏大学流体机械工程技术研究中心 硕士生黄建军 江苏大学流体机械工程技术研究中心 硕士生孙 建 汉胜工业设备(上海)有限公司 工程师,201108 上海市 引言通常在泵进口前置诱导轮是提高低汽蚀余量泵抗汽蚀性能的主要方法之一[1～2]。
诱导轮空化流场数值计算及实验研究
诱导轮空化流场数值计算及实验研究李龙贤;林奇燕;丁振晓【摘要】诱导轮是一种经过特殊设计的轴流泵叶轮,在航天运载系统和能源领域中有广泛的应用.诱导轮的抽吸性能很大程度上受流场空化的影响.涡轮泵的外特性参数与诱导轮内空化密切相关,诱导轮内空化的产生及变化是涡轮泵扬程下降的根源所在.以某低温液体火箭发动机诱导轮为研究对象,采用数值计算和可视化试验手段揭示了诱导轮内空化产生和变化的规律,及其与涡轮泵外特性参数的对应关系,从微观角度解释了诱导轮内空化模式与涡轮泵宏观外特性曲线的定量对应关系.对空化流场的数值计算方法和可视化试验台的搭建及测试手段进行了详细的介绍,数值计算结果与可视化试验结果吻合良好,表明实际的数值方法对诱导轮空化流场计算实用可行.【期刊名称】《真空与低温》【年(卷),期】2018(024)004【总页数】8页(P251-258)【关键词】诱导轮;空化;流场数值计算;可视化试验【作者】李龙贤;林奇燕;丁振晓【作者单位】北京航天动力研究所,北京 10076;北京航天动力研究所,北京 10076;北京航天动力研究所,北京 10076【正文语种】中文【中图分类】V4320 引言诱导轮是一种经过特殊设计的轴流泵叶轮，在航天运载系统和能源领域中有广泛的应用。
诱导轮的抽吸性能很大程度上受流场空化的影响，诱导轮是安装在泵主叶轮前具有轴流式叶轮特征的特殊结构叶轮，可以在部分空化条件下正常工作，但严重的空化将导致诱导轮扬程急剧下降，无法为主叶轮提供足够的进口压头，引起诱导轮下游部件的空化，导致泵扬程的下降。
利用数值计算和可视化实验手段，对诱导轮内部空化流场进行了系统的研究，获得了诱导轮内部空化的发展过程。
将空化流场的可视化实验结果与数值计算结果进行比对，验证了数值计算结果的正确性，也验证了所用数学模型和物理模型的准确性。
对泵内流场的精确分析得到了泵内流场压力分布、空化的发生以及空化区的变化与空化数下降的对应关系，使得通过对泵外特性、内部流场的数值分析，使得改进结构设计、提高泵的性能的目标成为可能。
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2007年10月农业机械学报第38卷第10期变螺距诱导轮流场的数值模拟3孔繁余 吕 毅 黄建军 孙 建 【摘要】 在泵叶轮进口前置变螺距诱导轮能有效地提高泵机组的抗汽蚀性能。
基于CFD 技术,采用F luen t 软件对变螺距诱导轮进行几何建模、选定边界条件等,数值模拟计算其内部流场。
结合变螺距诱导轮的实例,给出了变螺距诱导轮内部速度与压力的分布情况以及粒子流动迹线图,得到了其内部流场的主要特征。
关键词:水泵 诱导轮 变螺距 流场 数值模拟中图分类号:TH 311文献标识码:ANu m er ica l Si m ula tion on Flow F ield of Var i able -p itch I nducersKong Fanyu 1 L üY i 1 H uang J ian jun 1 Sun J ian2(1.J iang su U n iversity 2.H am ilton 2S und strand Ind ustria l (S hang ha i )Co .,L td )AbstractA n inducer in stalled befo re the in let of p um p i m p eller can efficien tly resist the cavitati on ,how ever ,it is lack of research in the flu id field abou t the variab le p itch inducer at p resen t .B ased on CFD techn ical and F luen t p rogram ,the flu id field abou t variab le p itch inducer w as num erical si m u lated .R elated to the exam p le of the variab le p itch inducer ,in it ,the distribu ti on of velocity and p ressu re w ere taken ou t and the trace of the p article w as p lo t and the m ain characteristics of the in teri o r flu id field w ere described .Key words Pum p ,Inducer ,V ariab le 2p itch ,F lu id field ,N um erical si m u lati on收稿日期:2006-10-163江苏省高技术研究项目(项目编号:2004040)孔繁余 江苏大学流体机械工程技术研究中心 教授,212013 镇江市吕 毅 江苏大学流体机械工程技术研究中心 硕士生黄建军 江苏大学流体机械工程技术研究中心 硕士生孙 建 汉胜工业设备(上海)有限公司 工程师,201108 上海市 引言通常在泵进口前置诱导轮是提高低汽蚀余量泵抗汽蚀性能的主要方法之一[1～2]。
性能优良的诱导轮是变螺距的,本身能够避免汽蚀产生,同时,能提供足够的能量给泵主叶轮,可使得泵机组无汽蚀运行。
其实质是大幅度地降低了泵机组的必需汽蚀余量,从而提高泵的抗汽蚀性能。
在相同叶轮进口外径条件下,变螺距诱导轮比定螺距诱导轮能更有效地降低泵机组的必须汽蚀余量[3]。
目前,变螺距诱导轮内部流场的研究尚不充分。
为了了解变螺距诱导轮内部流动情况,利用F luen t 软件对诱导轮内部流场分布进行数值模拟,并对数值模拟结果进行分析。
1 数值模拟111 计算模型及网格生成以一变螺距诱导轮作为实例,研究诱导轮内部流动情况,数值模拟的几何形状应为诱导轮所在区域管道(或导流套)内部空间去掉诱导轮实体所剩余的部分。
利用P ro EN G I N EER 和GAM B IT 可建立计算模型,划分网格,设置边界类型。
其具体操作过程如下:①用P ro EN G I N EER 软件构造诱导轮实体和管道实体,并以3.stp 的文件形式保存。
值得注意的是,为了便于计算与分析,假定诱导轮进口无预旋。
但实际上由于惯性作用以及流体粘性影响,诱导轮前面一小段管道内流体已经出现了旋转,因此,计算区域向前加大115倍直径长度,加上诱导轮长度,共取管道500mm 长。
管道直径为诱导轮外径加叶尖间隙。
②将前面两者导入GAM B IT ,用管道实体减去诱导轮实体得计算模型实体。
③选择合适的间距划分网格。
针对计算域空间较为复杂的特点,采用适应性较强的非结构化四面体网格划分技术,把该流道空间划分成单元数为395462个计算网格。
④通过检查网格划分情况,确认网格划分符合计算要求后设置边界类型,计算模型分为诱导轮3个叶片各自的工作面、背面及外侧边缘,诱导轮轮毂,模型进口及出口,其余即管道内壁,如图1所示。
图1中只显示了进口,出口以及诱导轮,未显示的有管道内壁以及整个计算区域(defau lt 2in teri o r )。
⑤以3.m sh 文件形式输出网格文件。
图1 计算区域与计算网格F ig .1 Calcu lati on zoom and calcu lati on grid1.进口2.诱导轮3.出口112 求解模型及流体属性So lver (求解器)选用Segregated (分裂求解法);Fo rm u lati on (算法)选用I m p licit (隐式算法);Sp ace (空间属性)为32D (三维空间);T i m e (时间属性)为Steady (定常流动);V elocity Fo rm u lati on (速度求解)选择A b so lu te (绝对速度)。
流体选择W ater 2liqu id [H 2O〈1〉],其物理属性保持默认。
113 计算方法控制方程:流体动力学方程组是在对水流运动进行概括、抽象和简化,并依据质量守恒、动量定律和能量守恒等基本原理而建立,是一组包括连续方程、运动方程和能量方程构成的微分方程组。
在所计算的三维流道内,不可压缩流体满足连续性方程和动量方程[4]。
采用RN G k -Ε双方程湍流模型与上述方程一起组成封闭的方程组。
其形式如下55t (Θk )+55x i (Θku i )=55x j Λ+Λt Ρk 5k 5x j+ G k -ΘΕ+S k55t (ΘΕ)+55x i (ΘΕu i )=55x j Λ+Λt ΡΕ5Ε5x j+ C 1ΕΕk G k -C 2ΕΘΕ2k+S Ε(1)其中Λt =ΘC ′Λk2Ε G k =-Θu ′i u ′j 5u j5u i式中 Λt ——紊动粘性系数G k ——时均速度梯度而产生的紊流动能Ρk 、ΡΕ——k 方程和Ε方程的湍流P randtl 数S k 、S Ε——粘性应力和湍动应力取常数C ′Λ=010845;C 1Ε=1142;C 2Ε=1168;Ρk =017194;ΡΕ=017194。
在近壁区采用标准近壁函数,用有限差分法对控制方程进行离散。
在差分格式中,压力项采用标准差分格式,速度项和紊粘系数项采用一阶迎风差分格式,紊动能项采用二阶迎风差分格式。
采用S I M PL EC 算法,实现压力与速度的耦合求解。
在迭代计算时,求解压力项时亚松弛系数为013,速度项为017,紊动项为018,紊动能耗散率项为018。
114 边界条件11411 进口边界进口条件采用速度进口(velocity 2in let )边界条件,在进口管进口面处,给定速度值,且假定进口速度方向垂直于进口管进口截面,进口处的湍动能值k in 及进口处的湍动能耗散率Εin 的取值为k in =01005v 2inΕin =C 3 4Λk 3 2inky in(2)式中 v in ——进口轴向速度,m sy in ——近壁计算点到壁面的距离,mm C Λ——湍流模型指定经验常数,近似为010911412 出口边界出口条件采用自由出流(ou tflow )边界条件,该类边界条件适用于出流边界上的压力或速度均为未知的情形,其出口条件都是通过F luen t 内部计算得到,而不需要特别给定。
需要指出的是,由于出口截面通道大小无变化,采用完全发展流动假设,即假定在垂直出口面方向上扩散通量为零,当然在径向上是允许梯度存在的。
11413 固壁边界所有计算的固壁面都采用无滑移边界条件为u ・s =0 u ・n =0式中 u ——附壁处流体速度s ——附壁处的切向量n ——附壁处的法向量11414 旋转坐标系在F lu id 面板中建立起旋转坐标系。
由右手规则可知,旋转坐标轴为-y 轴,通过定义旋转坐标轴的原点(0,0,0)和方向(0,-1,0)来确定坐标轴。
然后设定Ro tati onalV elocity 下的Sp eed 值。
由于诱导轮64农 业 机 械 学 报2007年 随着旋转参考系运动(因此相对旋转参考系是静止的),定义相对于旋转参考系的速度为零。
2 求解方法在求解旋转参考坐标系中的流动问题时,由于高速的旋转会产生一个很大的径向压力梯度,从而推动流体向轴向和径向流动,因此往往在流场中形成旋涡或旋度(ro tati on)的分布,从而导致求解过程的不稳定,这就需要特殊的求解技巧,采取的方法有:①(适用于解耦求解器)转换参考系,随相应的参考系改变速度表达式,从而求解速度。
②使用PR ESTO!方案(在So lu ti on Con tro ls面板中激活),这种方案非常适合于旋转流动中的大压力梯度。
③减小速度的低松弛因子,将其设为013～015或更低。
④用一个较低旋转速度开始计算,然后逐渐增加,最终获得合理的结果。
3 计算结果及分析计算实例为[3]:泵设计流量Q=200m3 h,扬程H=80m,转速n=2950r m in,未配置变螺距诱导论时泵必需汽蚀余量为515m,装置汽蚀余量为215m。
要求变螺距诱导论的扬程H i≥214m。
设计变螺距诱导轮的外径D t=148mm,入口轮毂比Ν1= 0124,进口螺距S1=73mm,进口安放角Βt1=9°,出口轮毂比Ν2=0135,出口螺距S2=269mm,出口安放角Βt2=30°,叶片数Z=3,总包角Ω=280°,前缘包角Η1=90°,轴向长度L=133mm。
配置变螺距诱导论后的泵机组必需汽蚀余量为213m。
变螺距诱导论的螺距增量从入口到出口逐渐增大。
取变距系数0<m<1时,螺距沿叶片弧长是凹抛物线关系,诱导轮在其出口处螺距变化较快;m>1时,螺距沿弧长的变化曲线是凸抛物线,螺距在诱导轮出口处的增加平缓,这种螺距变化较为合理[3],取m=2。