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帶動水泵運轉(zhuǎn)，目前對風(fēng)電提水系統(tǒng)的研究主要集中在對風(fēng)電機組的性能改進、變頻控制技術(shù)的研究，而對與之匹配的水泵研究甚少。傳統(tǒng)的葉片泵設(shè)計方法只是按設(shè)計工況設(shè)計，并不能滿足風(fēng)能離心泵超寬運行工況的要求。因此，擴大泵運行高效區(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。
　　本文基于析因試驗對應(yīng)用于風(fēng)力提水系

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

3、各方案進行全流場數(shù)值模擬，獲得11種方案的指標數(shù)據(jù)并進行分析。
　　(1)研究不同工況下試驗因子對效率的影響，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)化目標要求，優(yōu)化離心泵在0.6Q、0.8Q、1.0Q、1.4Q四個工況點的效率，獲得符合目標要求的葉輪參數(shù)值，重新設(shè)計葉輪并進行數(shù)值試驗。優(yōu)化后葉輪效率曲線平緩，運行高效區(qū)范圍擴大，葉輪在四個工況點加權(quán)平均效率為69.39％，提高了2

4、.8個百分點。
　　2.進一步探索提升風(fēng)能離心泵性能指標的途徑，研究不同隔舌安放角對風(fēng)能離心泵外特性和內(nèi)部流場的影響，獲得不同工況下離心泵的內(nèi)外特性、壓力脈動及徑向力，實現(xiàn)葉輪與蝸殼的最優(yōu)匹配，確保風(fēng)能泵的高效穩(wěn)定運行。
　　(1)不同隔舌安放角對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，離心泵的揚程有所提高，水力效率的高效范圍變寬且最高效率點向大流量方向偏移。
　　(2)隔舌安放角變化對葉輪內(nèi)部

5、相對速度整體分布趨勢影響不大，但蝸殼內(nèi)部的旋渦強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，流場越穩(wěn)定。
　　(3)在隔舌安放角為23°時，各工況下壓力脈動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)計流量和大流量工況下，三者的徑向力基本呈對稱分布。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并減小葉輪所受的徑向力。
　

6、　3.對優(yōu)化風(fēng)能離心泵最優(yōu)組合進行外特性試驗和PIV測試。分別將外特性試驗、PIV測試結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比，數(shù)值計算的揚程平均高于實驗值4％左右，小流量工況下試驗值與預(yù)測值較為接近，大流量工況下存在一定差異，但總體趨勢基本一致;數(shù)值模擬內(nèi)流場與PIV測試內(nèi)部流場的分布較為吻合。因此，本文采用的數(shù)值方法能夠較準確地預(yù)測離心泵的內(nèi)、外特性，采用的數(shù)值計算方法作為試驗實施手段進行風(fēng)能離心泵的優(yōu)化設(shè)計是準確和可行的。通過PIV測試研究0.