高效風(fēng)能離心泵水力性能優(yōu)化匹配研究.pdf

1、風(fēng)能離心泵系統(tǒng)是一種綠色新能源技術(shù)，它首先將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能，然后通過蓄電池利用電機(jī)帶動(dòng)水泵運(yùn)轉(zhuǎn)，目前對(duì)風(fēng)電提水系統(tǒng)的研究主要集中在對(duì)風(fēng)電機(jī)組的性能改進(jìn)、變頻控制技術(shù)的研究，而對(duì)與之匹配的水泵研究甚少。傳統(tǒng)的葉片泵設(shè)計(jì)方法只是按設(shè)計(jì)工況設(shè)計(jì)，并不能滿足風(fēng)能離心泵超寬運(yùn)行工況的要求。因此，擴(kuò)大泵運(yùn)行高效區(qū)，提高風(fēng)能離心泵系統(tǒng)的效率，優(yōu)化蝸殼與葉輪的匹配特性，對(duì)風(fēng)電提水系統(tǒng)的節(jié)能降耗有著重要意義。
　　本文基于析因試驗(yàn)對(duì)應(yīng)用于風(fēng)力提水系

2、統(tǒng)的離心泵進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，求出最優(yōu)參數(shù)組合，通過研究不同蝸殼型式對(duì)離心泵性能的影響，優(yōu)化蝸殼與葉輪的匹配特性，建立超寬高效運(yùn)行區(qū)的風(fēng)能離心泵多工況水力優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并通過外特性和PIV試驗(yàn)給予驗(yàn)證。主要研究工作及取得的成果如下:
　　1.基于析因試驗(yàn)的風(fēng)能離心泵葉輪優(yōu)化設(shè)計(jì)。以離心泵多個(gè)工況點(diǎn)的效率和揚(yáng)程作為設(shè)計(jì)指標(biāo)，葉輪水力參數(shù)為自變量因子進(jìn)行析因試驗(yàn)。根據(jù)給出的試驗(yàn)計(jì)劃，對(duì)11種方案進(jìn)行水力設(shè)計(jì)、三維造型，采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)

3、各方案進(jìn)行全流場(chǎng)數(shù)值模擬，獲得11種方案的指標(biāo)數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析。
　　(1)研究不同工況下試驗(yàn)因子對(duì)效率的影響，分析了自變量因子的主效應(yīng)、交互效應(yīng)，根據(jù)方差分析擬合出合適的模型。
　　(2)根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)要求，優(yōu)化離心泵在0.6Q、0.8Q、1.0Q、1.4Q四個(gè)工況點(diǎn)的效率，獲得符合目標(biāo)要求的葉輪參數(shù)值，重新設(shè)計(jì)葉輪并進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)。優(yōu)化后葉輪效率曲線平緩，運(yùn)行高效區(qū)范圍擴(kuò)大，葉輪在四個(gè)工況點(diǎn)加權(quán)平均效率為69.39％，提高了2

4、.8個(gè)百分點(diǎn)。
　　2.進(jìn)一步探索提升風(fēng)能離心泵性能指標(biāo)的途徑，研究不同隔舌安放角對(duì)風(fēng)能離心泵外特性和內(nèi)部流場(chǎng)的影響，獲得不同工況下離心泵的內(nèi)外特性、壓力脈動(dòng)及徑向力，實(shí)現(xiàn)葉輪與蝸殼的最優(yōu)匹配，確保風(fēng)能泵的高效穩(wěn)定運(yùn)行。
　　(1)不同隔舌安放角對(duì)離心泵的性能有較大影響，當(dāng)隔舌安放角由23°逐步增大到33°時(shí)，離心泵的揚(yáng)程有所提高，水力效率的高效范圍變寬且最高效率點(diǎn)向大流量方向偏移。
　　(2)隔舌安放角變化對(duì)葉輪內(nèi)部

5、相對(duì)速度整體分布趨勢(shì)影響不大，但蝸殼內(nèi)部的旋渦強(qiáng)度及演化過程受到隔舌安放角的影響較大，且隨著隔舌安放角增大，流場(chǎng)越穩(wěn)定。
　　(3)在隔舌安放角為23°時(shí)，各工況下壓力脈動(dòng)幅值以及作用在葉輪上的徑向力明顯大于其他兩種型式的蝸殼，且在小流量工況下葉輪徑向力隨著隔舌安放角的減小并逐漸偏向于Y軸正向;在設(shè)計(jì)流量和大流量工況下，三者的徑向力基本呈對(duì)稱分布。研究發(fā)現(xiàn)，增大隔舌安放角能有效改善隔舌處的壓力脈動(dòng)并減小葉輪所受的徑向力。
　

6、　3.對(duì)優(yōu)化風(fēng)能離心泵最優(yōu)組合進(jìn)行外特性試驗(yàn)和PIV測(cè)試。分別將外特性試驗(yàn)、PIV測(cè)試結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，數(shù)值計(jì)算的揚(yáng)程平均高于實(shí)驗(yàn)值4％左右，小流量工況下試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值較為接近，大流量工況下存在一定差異，但總體趨勢(shì)基本一致;數(shù)值模擬內(nèi)流場(chǎng)與PIV測(cè)試內(nèi)部流場(chǎng)的分布較為吻合。因此，本文采用的數(shù)值方法能夠較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)離心泵的內(nèi)、外特性，采用的數(shù)值計(jì)算方法作為試驗(yàn)實(shí)施手段進(jìn)行風(fēng)能離心泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)是準(zhǔn)確和可行的。通過PIV測(cè)試研究0.