船用串并聯(lián)離心泵內(nèi)部流動機(jī)理及振動特性研究.pdf

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)部流動機(jī)理及振動特性的研究對于整船管路系統(tǒng)的流體激振力、振動、噪聲有著重要的作用。因此，開展串并聯(lián)離心泵的內(nèi)部流動機(jī)理及振動特性研究對于設(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的資助下開展。
　　目前，串并聯(lián)離心泵的內(nèi)部流動機(jī)理及振動特性研究十分匱乏，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)臺為基礎(chǔ)專門搭建了振動試驗(yàn)臺，采用數(shù)值仿真計(jì)算、外特性試驗(yàn)及振動試驗(yàn)的方法對串并聯(lián)離心泵的內(nèi)部流動機(jī)理和振動特性進(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)子部件的動平衡工藝，提高了轉(zhuǎn)子部件的動平衡水平。在泵外特性試驗(yàn)臺的基礎(chǔ)上，消除了進(jìn)出口管路、底座對振動的影響專門搭建了振動試驗(yàn)臺，對泵組機(jī)腳處的振動進(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)行無量綱化處理及對比，得出了串并聯(lián)工況變化對水力性能的影響。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)腳處各個監(jiān)測點(diǎn)總振級測試，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)量和動平衡精度等級、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試驗(yàn)研究。對比原始結(jié)構(gòu)泵和新型結(jié)構(gòu)泵的無量綱試驗(yàn)數(shù)據(jù)，額定工況處的效率無論是并聯(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倍頻程的總振級為評價(jià)指標(biāo)，對新型結(jié)構(gòu)泵與原始結(jié)構(gòu)泵的總振級進(jìn)行了對比，不同頻率處的振動差值有所變化，且無規(guī)律可循。以監(jiān)測點(diǎn)處機(jī)腳加速度的總振級為評價(jià)指標(biāo)，新型結(jié)構(gòu)泵比原始結(jié)構(gòu)泵振動降低3dB～4dB。分別以效率

6、和機(jī)腳振動為評價(jià)指標(biāo)對比了串并聯(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)腳振動為評價(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)部流場的分析奠定了基礎(chǔ)。對葉輪中截面、換向閥、吸入室處

7、的壓力分布圖、速度分布圖、湍動能、流線等進(jìn)行了對比分析，探究了串并聯(lián)離心泵串聯(lián)工況與并聯(lián)工況對內(nèi)部流動機(jī)理的影響，為串并聯(lián)離心泵內(nèi)部流動機(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，首級葉輪的流量向大流量偏移，首級葉輪的流量大于次級葉輪的流量;串聯(lián)工況時，由于忽略間隙泄漏，兩個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)，并提出了首級葉輪和次

8、級葉輪差異化設(shè)計(jì)的方法。
　　(5)對原始結(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、首級吸入室、次級吸入室、新型串并聯(lián)泵導(dǎo)葉、環(huán)形壓水室內(nèi)部流體壓力脈動等進(jìn)行了對比分析，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機(jī)腳處總振級的影響。
　　(6)采