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1、串并聯(lián)離心泵一機(jī)多用、具有大流量低揚(yáng)程和小流量高揚(yáng)程兩種工況,為船舶輔助系統(tǒng)的重要設(shè)備,能有效減小設(shè)備的占地面積、及時(shí)有效地輸送液體和保護(hù)船舶的安全。串并聯(lián)離心泵內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理及振動(dòng)特性的研究對(duì)于整船管路系統(tǒng)的流體激振力、振動(dòng)、噪聲有著重要的作用。因此,開(kāi)展串并聯(lián)離心泵的內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理及振動(dòng)特性研究對(duì)于設(shè)備更新替換、優(yōu)化及系統(tǒng)的減振降噪具有重要意義。
本文的研究工作在安徽省自主創(chuàng)新專項(xiàng)資金“油料輸送及艦船用串并聯(lián)產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目”、國(guó)家
2、自然科學(xué)基金51279069和51079063項(xiàng)目、江蘇省研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目CXLX11_0578的資助下開(kāi)展。
目前,串并聯(lián)離心泵的內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理及振動(dòng)特性研究十分匱乏,本文在原始串并聯(lián)離心泵葉輪匹配螺旋壓水室的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,對(duì)葉輪、螺旋型壓水室部件進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工工藝創(chuàng)新、結(jié)構(gòu)優(yōu)化,并且以泵外特性試驗(yàn)臺(tái)為基礎(chǔ)專門搭建了振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái),采用數(shù)值仿真計(jì)算、外特性試驗(yàn)及振動(dòng)試驗(yàn)的方法對(duì)串并聯(lián)離心泵的內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理和振動(dòng)特性進(jìn)行了研究。本研宄
3、的主要工作和創(chuàng)造性成果有:
(1)依據(jù)葉輪匹配螺旋型壓水室的原始結(jié)構(gòu)形式,提出了水力參數(shù)選擇方法,進(jìn)行了葉輪、螺旋型壓水室的水力設(shè)計(jì);提出了創(chuàng)新的葉輪流道加工及葉輪前后蓋板固定方法,保證了流道表面光潔度和葉輪出口面積及安放角的一致性;改進(jìn)了轉(zhuǎn)子部件的動(dòng)平衡工藝,提高了轉(zhuǎn)子部件的動(dòng)平衡水平。在泵外特性試驗(yàn)臺(tái)的基礎(chǔ)上,消除了進(jìn)出口管路、底座對(duì)振動(dòng)的影響專門搭建了振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái),對(duì)泵組機(jī)腳處的振動(dòng)進(jìn)行試驗(yàn)研究。將串并聯(lián)泵串聯(lián)工況和并聯(lián)工
4、況的外特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱化處理及對(duì)比,得出了串并聯(lián)工況變化對(duì)水力性能的影響。分別在電機(jī)空載、串聯(lián)工況額定流量、并聯(lián)工況額定流量下,采用1/3倍頻程分析,對(duì)葉輪匹配螺旋型壓水室結(jié)構(gòu)的串并聯(lián)離心泵機(jī)腳處各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)總振級(jí)測(cè)試,結(jié)果表明:并聯(lián)工況額定流量>串聯(lián)工況額定流量>電機(jī)空載。
(2)首次對(duì)原始結(jié)構(gòu)泵(葉輪匹配螺旋型壓水室的結(jié)構(gòu))進(jìn)行了改進(jìn)與創(chuàng)新設(shè)計(jì),在保證葉輪水力設(shè)計(jì)不變的前提下,采用葉輪匹配導(dǎo)葉與環(huán)形壓水室的新型結(jié)構(gòu),保
5、證轉(zhuǎn)子部件質(zhì)量和動(dòng)平衡精度等級(jí)、電機(jī)相同的前提下,進(jìn)行新型串并聯(lián)離心泵的外特性和振動(dòng)試驗(yàn)研究。對(duì)比原始結(jié)構(gòu)泵和新型結(jié)構(gòu)泵的無(wú)量綱試驗(yàn)數(shù)據(jù),額定工況處的效率無(wú)論是并聯(lián)工況還是串聯(lián)工況,新型結(jié)構(gòu)泵均小于原始結(jié)構(gòu)泵。以機(jī)腳處加速度1/3倍頻程的總振級(jí)為評(píng)價(jià)指標(biāo),對(duì)新型結(jié)構(gòu)泵與原始結(jié)構(gòu)泵的總振級(jí)進(jìn)行了對(duì)比,不同頻率處的振動(dòng)差值有所變化,且無(wú)規(guī)律可循。以監(jiān)測(cè)點(diǎn)處機(jī)腳加速度的總振級(jí)為評(píng)價(jià)指標(biāo),新型結(jié)構(gòu)泵比原始結(jié)構(gòu)泵振動(dòng)降低3dB~4dB。分別以效率
6、和機(jī)腳振動(dòng)為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比了串并聯(lián)離心泵兩種結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)劣,為不同優(yōu)化目標(biāo)的選擇提供參考依據(jù)。
(3)以機(jī)腳振動(dòng)為評(píng)價(jià)指標(biāo),選擇新型串并聯(lián)離心泵為優(yōu)秀模型,總結(jié)了串并聯(lián)工況切換時(shí)數(shù)值計(jì)算的實(shí)現(xiàn)方法,分別采用k-ε,RNG k-ε,SST等不同的湍流模型進(jìn)行數(shù)值模擬并分析揚(yáng)程、功率、效率等,與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行無(wú)量綱分析,得出RNG湍流模型在新型串并聯(lián)泵數(shù)值計(jì)算中具有好的適應(yīng)性,為內(nèi)部流場(chǎng)的分析奠定了基礎(chǔ)。對(duì)葉輪中截面、換向閥、吸入室處
7、的壓力分布圖、速度分布圖、湍動(dòng)能、流線等進(jìn)行了對(duì)比分析,探究了串并聯(lián)離心泵串聯(lián)工況與并聯(lián)工況對(duì)內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理的影響,為串并聯(lián)離心泵內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理的研究奠定了基礎(chǔ)。
(4)由于結(jié)構(gòu)特性影響及初步水力設(shè)計(jì)方法的選取,并聯(lián)時(shí),首級(jí)葉輪的流量向大流量偏移,首級(jí)葉輪的流量大于次級(jí)葉輪的流量;串聯(lián)工況時(shí),由于忽略間隙泄漏,兩個(gè)葉輪之間的流量趨于相等。首次提出在串并聯(lián)離心泵水力設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響因素進(jìn)行相互耦合設(shè)計(jì),并提出了首級(jí)葉輪和次
8、級(jí)葉輪差異化設(shè)計(jì)的方法。
(5)對(duì)原始結(jié)構(gòu)(葉輪匹配螺旋型壓水室)和新型結(jié)構(gòu)(葉輪匹配導(dǎo)葉與環(huán)形壓水室)的串并聯(lián)離心泵葉輪出口、換向閥、首級(jí)吸入室、次級(jí)吸入室、新型串并聯(lián)泵導(dǎo)葉、環(huán)形壓水室內(nèi)部流體壓力脈動(dòng)等進(jìn)行了對(duì)比分析,原始結(jié)構(gòu)葉輪出口處的幅值明顯小于新型結(jié)構(gòu)的幅值。并對(duì)兩種結(jié)構(gòu)葉輪x方向的徑向力進(jìn)行分析,原始結(jié)構(gòu)泵的葉輪徑向力幅值大于新型結(jié)構(gòu)泵的葉輪。并探討了流體激振力和葉輪徑向力對(duì)機(jī)腳處總振級(jí)的影響。
(6)采
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