離心泵口環(huán)間隙非定常流動(dòng)機(jī)理研究.pdf

1、離心泵是國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中用途較廣耗能較高的重要設(shè)備，深入研究離心泵的內(nèi)部流動(dòng)，提高離心泵的性能具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。離心泵口環(huán)泄漏流與葉輪進(jìn)口主流間的干擾，會(huì)引起葉輪進(jìn)口流動(dòng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，對(duì)葉輪入口有序的流動(dòng)造成干擾，從而對(duì)泵內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)及泵運(yùn)行穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。因此，深入研究口環(huán)間隙流對(duì)離心泵內(nèi)、外特性的影響規(guī)律具有重要意義。本文以離心泵口環(huán)間隙非定常流動(dòng)特性為研究對(duì)象，采用數(shù)值計(jì)算、實(shí)驗(yàn)研究和理論分析相結(jié)合的方法，分析了泵內(nèi)間

2、隙流動(dòng)的非定常流動(dòng)特性，研究了口環(huán)泄漏流與葉輪進(jìn)口主流間的相互作用，獲得了口環(huán)間隙流對(duì)離心泵內(nèi)部流動(dòng)及外特性的影響。本文的主要工作和創(chuàng)新成果如下:
　　(1)建立了離心泵口環(huán)間隙測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過同步采集測(cè)量了離心泵外特性、壓力脈動(dòng)信號(hào)及振動(dòng)信號(hào)，獲得了口環(huán)間隙改變引起的泵外特性變化規(guī)律，分析了蝸殼周向壓力和泵腔徑向壓力分布趨勢(shì)。結(jié)果表明，口環(huán)間隙的增大，對(duì)外特性的影響表現(xiàn)為泵揚(yáng)程和效率的下降;對(duì)內(nèi)流場(chǎng)影響表現(xiàn)為:蝸殼及泵腔各測(cè)點(diǎn)

3、壓力不同程度的減小，而壓力分布趨勢(shì)保持不變。蝸殼壁面壓力脈動(dòng)頻譜中發(fā)現(xiàn)了軸頻與葉頻信號(hào)，其中主頻為葉頻。振動(dòng)頻譜圖中捕捉到軸頻及其倍頻與葉頻及其倍頻，發(fā)現(xiàn)不同方向殼體振動(dòng)能量存在一定差異。
　　(2)研究了口環(huán)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)對(duì)口環(huán)間隙內(nèi)流動(dòng)參數(shù)分布的影響，發(fā)現(xiàn)合理的口環(huán)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)對(duì)獲得口環(huán)間隙流各流動(dòng)參數(shù)精確分布至關(guān)重要。在兼顧數(shù)值計(jì)算時(shí)間和計(jì)算精度的前提下，系統(tǒng)研究了非定常數(shù)值計(jì)算時(shí)間步長對(duì)離心泵數(shù)值計(jì)算精度的影響，定量分析了時(shí)間步

4、長引起的差異。結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值求解方法的正確性和準(zhǔn)確性。
　　(3)研究了離心泵內(nèi)間隙流動(dòng)對(duì)泵外特性性能的影響，通過對(duì)比分析考慮間隙和不考慮間隙離心泵模型的計(jì)算結(jié)果，揭示了間隙流動(dòng)引起泵內(nèi)流場(chǎng)和外特性較大差異的原因，即泵腔、口環(huán)等間隙區(qū)域內(nèi)間隙流動(dòng)引起的泵內(nèi)流動(dòng)損失的不同。分析了口環(huán)泄漏流與葉輪進(jìn)口主流之間的相互作用，基本分為碰撞沖擊階段，逆向摻混階段和同化作用階段。闡述了間隙流動(dòng)對(duì)葉輪內(nèi)分離渦的演變及有序變遷規(guī)律的影響，結(jié)合熵

5、產(chǎn)理論分析了間隙流動(dòng)引起的流動(dòng)損失對(duì)泵內(nèi)流動(dòng)的重要影響，對(duì)壓力場(chǎng)的影響具體表現(xiàn)為:泵內(nèi)間隙流動(dòng)降低了葉輪與蝸殼隔舌間的壓力脈動(dòng)強(qiáng)度，影響了隔舌正對(duì)葉輪流道內(nèi)葉片表面壓力分布規(guī)律，并引起葉片工作面壓力波動(dòng)。
　　(4)通過開展不同流量工況下離心泵內(nèi)數(shù)值計(jì)算，分別研究了泵內(nèi)主流流動(dòng)和間隙流動(dòng)特性，分析了口環(huán)泄漏流對(duì)葉輪進(jìn)口主流的影響規(guī)律。結(jié)合熵產(chǎn)理論分析了泵內(nèi)流動(dòng)損失分布特性，確定了泵內(nèi)流態(tài)與能量損失之間的關(guān)聯(lián)。采用能量梯度理論對(duì)泵內(nèi)

6、不穩(wěn)定流動(dòng)易發(fā)生區(qū)進(jìn)行預(yù)判，歸納了葉片做功能力與流量間的關(guān)聯(lián)。間隙流動(dòng)的研究揭示了泵腔內(nèi)壓力及壓力脈動(dòng)分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)小流量下壓力最高，泵腔進(jìn)口壓力脈動(dòng)強(qiáng)度較強(qiáng)。獲得了口環(huán)間隙內(nèi)詳細(xì)的流動(dòng)分布特性，發(fā)現(xiàn)進(jìn)口縮流損失是引起間隙進(jìn)口流動(dòng)參數(shù)突變的主要原因之一，具體表現(xiàn)為動(dòng)壓和湍動(dòng)能的驟增，靜壓的驟減，而總壓平緩減小。發(fā)現(xiàn)口環(huán)間隙壓力脈動(dòng)特性較復(fù)雜，仍受葉輪與隔舌間動(dòng)靜干涉影響?？偨Y(jié)歸納了流量改變引起的口環(huán)泄漏流與主流間的相互作用，整個(gè)過程始終

7、存在碰撞、沖擊、摻混、同化作用，揭示了泄漏流與主流能量配比的影響關(guān)系，發(fā)現(xiàn)流量增加引起進(jìn)口主流能量的增大，不斷削弱泄漏流對(duì)主流的影響。
　　(5)研究了口環(huán)間隙改變引起的泵內(nèi)、外特性變化規(guī)律，通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證了口環(huán)間隙引起的離心泵外特性變化，發(fā)現(xiàn)口環(huán)間隙增大時(shí)，泵內(nèi)流動(dòng)損失增加，引起水力效率和容積效率降低，導(dǎo)致?lián)P程和總效率的減小。分析了葉輪內(nèi)不同口環(huán)間隙時(shí)流動(dòng)差異的原因，即口環(huán)間隙改變引起的葉輪進(jìn)口流量變化，小流量下葉輪內(nèi)流

8、動(dòng)存在明顯差異。研究了口環(huán)間隙內(nèi)詳細(xì)的流動(dòng)分布特性，發(fā)現(xiàn)在口環(huán)間隙進(jìn)口處總壓下降較大，然后由于葉輪旋轉(zhuǎn)影響，沿間隙流流動(dòng)方向，總壓逐漸上升，達(dá)到極大值，隨后逐漸下降直至口環(huán)間隙出口。當(dāng)口環(huán)間隙增加時(shí)，間隙內(nèi)流體靜壓減小動(dòng)壓增大，流體總壓略增?？诃h(huán)大小改變對(duì)間隙內(nèi)壓力脈動(dòng)強(qiáng)度有輕微影響?？偨Y(jié)了口環(huán)間隙大小引起葉輪進(jìn)口流態(tài)的變化，發(fā)現(xiàn)口環(huán)間隙增大，泄漏量增大，流動(dòng)損失增加，從而擾亂了葉輪進(jìn)口流態(tài)。
　　(6)研究了口環(huán)間隙結(jié)構(gòu)對(duì)離心泵