Analysis of three-dimensional flow in high-speed pump centrifugal impeller

Relations for calculating a shear flow in the centrifugal impeller channels are presented. The results of three-dimensional flow visualization in the centrifugal forces field show a satisfactory agreement with calculation data within a wide range of centrifugal pump design and operational parameters.     

用于概念设计的离心泵叶轮多目标优化

用两种多目标优化方法对某型液体火箭发动机氧化剂泵叶轮进行多目标优化设计.在优化过程中, 以泵的扬程、效率和泵质量为优化目标, 对叶轮的主要几何参数进行优化.用NCGA(Neighborhood Culti-vation Genetic Algorithm)方法得到优化问题的Pareto前沿;用超传递近似法得到分目标的最佳权值, 进而采用评价函数法求出优化问题的最佳设计值.并分析了主要结构参数对泵性能参数的影响.      

诱导轮与叶轮组合式航空燃油离心泵轴向力间隙补偿

以诱导轮与叶轮组合式航空燃油离心泵为研究对象,开展了轴向力出口间隙补偿优化研究.进行了轴向力的数值模拟,并将仿真结果与理论计算进行对比,对比表明两种方法计算的轴向力结果变化趋势一致,误差不大于4％,且设计流量工况下误差最小,进而验证了基于Pumplinx环境下该型离心泵轴向力数值仿真的正确性.通过改变出口间隙宽度分析离心泵的轴向力变化,仿真结果表明:扩大出口间隙至0.2mm时,增大了轴向力,且影响了泵的增压能力;而减小出口间隙至0.1mm和0.13mm时实现了轴向力的补偿,且出口间隙为0.1mm时性能最优.最后对出口间隙为0.1mm时的轴向力性能进行了分析,分析表明:该条件下不同截面的压力分布正常稳定,且设计点的轴向力为3620N,从而实现了诱导轮与叶轮组合式离心泵的轴向力间隙补偿.     

Optimization of the centrifugal impeller flow passage in high-speed pumps

Based on the jet-vortex model for flow passage hydrodynamics in a high-speed centrifugal pump with the open-type impeller, we present the calculated relations for design and optimization of the experimentally verified pump design parameters.     

Numerical investigation of effect of a centrifugal boost impeller on suction performance of an aircraft hydraulic pump

An integrated boost impeller can effectively improve the suction performance of an aircraft hydraulic pump (AHP). It must be designed very carefully; however, few studies thus far have investigated boost impellers. To explore the effect of the boost impeller, this study developed a three-dimensional computational fluid dynamics (CFD) model for an AHP based on the k-ε turbulence model and full cavitation model. The results of verification tests demonstrated that the model is reliable for simulating the delivery characteristics of piston pumps and the boost capacity of the inlet impeller. Steady-state simulations reveal that the boost impeller can remarkably improve the suction performance and mitigate the cavitation damage due to insufficient fluid filling while only consuming a small proportion of the total input power. Transient-state simulations show that the pump with an impeller is more capable of catching up with a sudden increase in flow demand, and it has a lower suction flow ripple and impact. However, such a boost impeller also has some limitations such as magnifying the suction pressure fluctuation and having little effect on mitigating the cavitation caused by the back-flow jet.     

离心叶轮气动阻尼的数值分析

为进行运动边界下离心叶轮流场的数值分析,独立开发了网格变形程序和非定常流动分析程序,实现了流场中振动离心叶轮的气动阻尼计算。采用紧支撑径向基函数法进行结构到气动表面变形的数据传递,应用二叉树技术进行壁面距离的计算,大幅提高了网格变形和流场分析中距离搜索的计算效率。通过振动叶栅和离心叶轮的算例,验证了程序应用于运动边界流场计算和叶轮流场模拟的正确性。以某离心叶轮为对象,展开其模态气动阻尼比的计算分析。结果表明:考察的两个模态下气动阻尼比均为正值,小幅振动下模态气动阻尼比与振幅无关,轮盘振动模态下叶轮的气动阻尼比随工况接近失速而逐渐减小。      

Development,research and production of a centrifugal impeller

The authors conducted a detailed study of possible options for geometry of blades with pressure and power characteristics of the impeller.     

跨声速离心叶轮负荷分布的影响分析

以某典型负荷跨声速离心叶轮为例,采用数值模拟的方法,在级环境下分析了离心叶轮前加载、均匀加载和后加载三种负荷分布对于离心叶轮总体性能的影响,并通过对比分析离心叶轮内的二次流和熵分布等参数,讨论了负荷分布影响的内在机制。对比计算结果表明,后加载形式的负荷分布对于离心叶轮的总性能比较有利,对于叶轮内部的二次流控制效果较为理想。     

微小流量离心压缩机叶轮流场性能模拟计算

设计了一种空气工质低压比的微小流量、高转速离心压缩机三元叶轮,并对其流场特性进行数值模拟.研究表明:该类叶轮出口与进口区域面积比小于1;采用高转速可以改善该类叶轮的效率;叶轮的最佳叶片数较源于大流量低转速离心压缩机理论的叶片数经验公式计算值要小;叶轮出口角一般在60°以上;叶尖顶部间隙增大时,叶轮总压比及效率显著下降.研究方法和结果为飞机高性能空气循环制冷系统和蒸汽压缩制冷系统中微小流量高转速离心压缩机的工程化设计提供了有益的参考.      

多源不确定耦合下离心压气机叶轮气动稳健性

考虑制造误差与气动边界多源不确定耦合作用,以某离心压气机叶轮为研究对象,将数值计算方法、拉丁超立方试验、代理模型与蒙特卡洛方法相结合,分析几何设计变量与性能参数的相关程度,量化叶轮制造误差与转速波动的不确定性对压气机性能的影响程度,提出一种考虑多维异性不确定因素的离心压气机叶轮气动稳健优化设计方法。结果表明:在制造误差和转速不确定耦合作用下,压比波动幅度由350%增大至1414%;优化后叶轮气动稳健性增强,压比和效率均值分别提高69%和46%,标准差分别降低154%和184%。     

亚声速半开式离心叶轮叶顶间隙的流动特征

针对半开式离心叶轮的间隙泄漏和间隙气流对气动性能的影响,采用数值方法分析了3种叶顶间隙值下叶轮的气动性能、设计工况下的叶片载荷分布、间隙流动气流角以及泄漏涡的分布特征.结果表明:叶轮叶片表面的压力分布规律不受叶顶间隙的影响,但叶片载荷在叶片的中后部有不同程度的减小;间隙处的内泄漏流动本身引起的流动损失较小;与零间隙相比,间隙处的内泄漏气流对流道前半段主流的影响甚微,但在流道中部以后,间隙流扰乱了主气流方向,并在叶顶吸力面附近形成涡流聚集区,造成明显的熵增,带来不可忽视的能量损失.希望所得结果能为建立半开式离心叶轮的间隙气动模型提供参考.      

Radial pressure distribution in lateral clearances of the semi-open axiradial impeller of the centrifugal compressor

We present the results of the numerical simulation of a flow and radial pressure distribution in the lateral clearances of the semi-open axiradial impeller of the centrifugal compressor with the use of the FlowVision and Fluent software. The results of the numerical analysis were compared with the known experimental data.     

基于Kriging模型的离心叶轮结构优化设计

研究了以减重为目标的航空发动机离心叶轮结构优化问题,将Kriging模型与遗传算法相结合,应用拉丁方试验设计和有限元分析生成初始样本数据,利用初始样本数据建立离心叶轮重量和最大应力等状态参数的Kriging模型,运用遗传算法对该Kriging模型在设计空间进行全局寻优,利用有限元分析方法计算近似最优设计点的状态参数,并以此更新已有的设计样本数据,不断提高Kriging模型的近似精度.计算结果表明,基于Kriging模型-遗传算法的离心叶轮结构优化设计方法不仅可以获得良好的优化结果,比直接用遗传算法寻优减少了大量计算时间,提高了设计效率,同多项式模型-遗传算法相比也有效率优势.     

离心压缩机进口导叶/叶轮动静相干的数值研究

对不同预旋角度下进口导叶/叶轮的相干进行了非定常的数值模拟,讨论了动静相干效应的主要因素,分析了非定常效应对叶轮内流场结构的影响.结果表明,在较大的负预旋角度下,叶轮流动呈现出周期性;造成叶轮内非定常性的主要因素是上游进口导叶的尾迹区,尤其是大尺度分离涡团导致叶轮的进口流动不稳定.导叶尾流的影响只涉及到叶轮通道的一部分(约30%叶片长度),而叶轮的势影响范围从进口导叶尾缘到约20%左右叶片弧长处.叶轮叶片通过频率和叶片旋转频率同时影响着进口导叶内部的非定常流动.      

Numerical investigation of flow mechanisms of tandem impeller inside a centrifugal compressor

This study numerically investigated a single stage centrifugal compressor ‘‘Radiver’’ with a wedge diffuser and several tandem-designed impellers to explore the flow phenomena within the tandem impeller and the potential to enhance compressor performance. The results demonstrate that tandem design and clocking fraction (λ_s) significantly affects the compressor performance. The compressor stage with tandem impellers of Series A of boundary layer growth interruption alone are observed to have a widely operating range but efficiency and total pressure ratio penalty compared with that of conventional impeller. The tandem impeller with at least the same impeller efficiency as the conventional design is considered as a critical design criteria so that further modification process based on the flow characteristic of tandem impeller is necessary. In order to restrain the inducer wake and exducer shock losses, parameters modification of blade angle and thickness distributions are necessary and the modified tandem impeller of Series B is obtained. The modified tandem impeller with 25% clocking arrangement shows an 8.45% stall margin increase and maintains the total pressure ratio and efficiency as the conventional design, which proves the potential of tandem impeller to improve compressor stage performance. It is noteworthy that the tandem impellers of Radiver have not shown obviously balanced exit flow field and the fundamental mechanism of stall margin extending of tandem impeller lies on the improved impeller/diffuser matching performance resulting from the incidence angle variation at diffuser inlet.     

离心压气机中进口导叶尾迹的形态、输运及与叶轮流场的相互影响研究

对跨声速离心压气机中进口导叶与叶轮的相互影响作用进行了数值模拟研究,研究模型包括三种几何间距模型及对同一间距几何模型使用了两种不同的转静子交界面位置设定。计算结果表明：转静子交界面位置的设定对于多排叶片混合平面法定常计算性能会产生较大影响,5%叶轮轴向长度的变化就可造成1%的效率、2%的压比差别;进口导叶与叶轮的叶排间距大小对离心压气机级气动性能影响很小,但间距较小时会造成流场内较大的压力波动。在近叶排间距时,导叶切割叶轮激波会在导叶压力面侧产生一个高损失区,并沿导叶表面向上游传播;该高损失区由激波压力波造成。此外,激波存在与否,影响到两排叶片流场的相互影响作用强度：激波使叶轮对导叶流场的影响几倍甚至十几倍大于导叶对叶轮流场的影响;激波的影响作用使导叶压力面、吸力面侧压力波动由不同的原因造成。最后,在近叶排间距时,初始进入叶轮通道内且靠近主叶片压力面的尾迹相对靠近吸力面的尾迹片会滞后;完全进入叶轮通道后,近压力面侧尾迹的滞后更显著。     

考虑叶轮流动滑移的离心泵盘腔流动模型

为研究离心泵盘腔内外特性,将离心泵盘腔三维流动简化为动静腔一维流动,基于动量守恒方程和径向连续方程,构建了动静腔流动微分方程;积分该方程并应用到盘腔中,引入密封件阻力系数,考虑叶轮流动滑移,修正泵势扬程公式,建立了离心泵叶轮-盘腔-密封环-平衡孔回路的自封闭流动模型。提出了内外迭代相结合的求解方法,实现了离心泵盘腔流动快速计算。通过与盘腔压力测量结果对比表明：使用Stodola叶轮流动滑移系数的盘腔流动模型比使用Wiesner叶轮流动滑移系数的盘腔流动模型的计算精度提高了约3.5%。盘腔流动模型结果表明：泵工况从小流量调节至大流量,容积效率逐渐提高,盖板推力略微逐渐增大。该方法及结论为离心泵盘腔内外特性计算提供参考。     

具有分流叶片跨声速离心叶轮激波及能量损失分析

对具有分流叶片跨声速离心叶轮,采用激波基本关系式对数值信息进行分析和判定,理论证实了叶轮流道中激波的存在,并确定流道内高速气流易在主叶片前缘、分流叶片前缘以及主叶片的吸力面与分流叶片的压力面通道位置形成激波.进一步对比分析了叶顶间隙和运行工况对激波位置分布特征的影响及引起的能量损失.结果表明:固定叶顶间隙下,随着流量减小,激波位置向流道上游移动;叶顶间隙导致激波线位置向流道下游偏移;分流叶片前缘处有最强激波并引起较明显能量损失.      

离心压缩机叶轮旋转失速的相空间重构及分形特征

结合非线性动力学中的相空间重构和分形理论,提出了一种分析离心压缩机叶轮旋转失速动力学特征的方法.采用数值方法对低速离心压缩机(LSCC)叶轮旋转失速状态进行了模拟,得到了失速工况下叶轮出口多个位置的气流压力时间序列.对各压力时间序列进行相空间重构,构造出一低维动力系统,其时间延迟和嵌入维数通过运用C-C方法得出.对重构的动力系统的相图进行了分形特征分析,计算了相应的分形维数.研究表明:叶轮旋转失速后系统的压力信号具有混沌特性,在相图上表现为具有分形结构,揭示了旋转失速后系统的动力学特征.计算分析分形维数后发现,数据采集点位于相同半径处计算得到的分形维数相近,约为3.39;数据采集点的半径增大时,分形维数减小.     

叶轮式辅助心脏泵装置优化设计

叶轮式血液泵LAP-Ⅰ采用了航空叶轮机械中使用的设计思想方法,该装置是针对亚洲患者的临床应用而设计.综合航空叶轮机械技术和医学需求,采用整体转子和悬臂静子结构设计,并对其串列叶栅静子结构做了进一步的优化改进,得到叶轮式血液泵LAP-Ⅱ.计算流体动力学(CFD)模拟结果表明,血泵LAP-Ⅱ的压升性能达到医学需求,泵体内流动状况顺畅.最大比较剪切应力(S)值得到明显降低,流线显示血液通过泵体的最长时间得到减小,抗溶血应用性能得到提高.