離心泵內(nèi)不穩(wěn)定流動及振動特性研究.pdf

1、高速高壓和大功率是車載消防離心泵的發(fā)展趨勢，向大功率發(fā)展就要求離心泵必須具有良好的工作穩(wěn)定性和可靠性。離心泵內(nèi)壓力分布和流動狀態(tài)會直接影響泵的性能穩(wěn)定性；同時，泵內(nèi)不穩(wěn)定流動引起的壓力脈動、瞬態(tài)流體激振力，則會影響離心泵振動穩(wěn)定性。因此，離心泵內(nèi)不穩(wěn)定流動特性、振動特性以及不穩(wěn)定流動對振動作用規(guī)律的研究極為重要。同時，輸送介質(zhì)的不同，離心泵配備不同的葉輪結(jié)構(gòu)。最常見的葉輪結(jié)果形式為閉式葉輪，而在輸送含有雜質(zhì)的消防介質(zhì)時則會采用半開式和開

2、式葉輪。因此開展不同葉輪結(jié)構(gòu)形式對離心泵運行穩(wěn)定性、可靠性的影響研究也十分重要。針對上述問題，本文通過外特性試驗、動態(tài)壓力試驗和振動試驗，同時結(jié)合數(shù)值計算和熵產(chǎn)理論，對三種典型葉輪（閉式、半開式、開式）模型離心泵的性能穩(wěn)定性、振動穩(wěn)定性以及泵內(nèi)不穩(wěn)定流動對振動的作用規(guī)律進(jìn)行研究。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴離心泵運行穩(wěn)定性的影響規(guī)律研究。為揭示離心泵內(nèi)葉輪結(jié)構(gòu)形式及流量工況對其運行穩(wěn)定性的影響規(guī)律，對三種典型葉輪結(jié)構(gòu)模型泵進(jìn)行外特

3、性試驗、動態(tài)壓力試驗及振動試驗研究。在離心泵性能穩(wěn)定性試驗研究中發(fā)現(xiàn)，三種葉輪在輸送清水介質(zhì)時，閉式葉輪的性能穩(wěn)定性最好，而開式葉輪性能穩(wěn)定性最差，尤其在大流量工況。小流量時隔舌區(qū)和泵出口壓力脈動對泵運行穩(wěn)定性均有較大影響，隨著流量的增加，隔舌區(qū)的影響程度下降，而泵出口處的影響程度逐步遞增。通過離心泵振動穩(wěn)定性試驗發(fā)現(xiàn)，閉式葉輪振動穩(wěn)定性最好，開式葉輪振動穩(wěn)定性最差。葉頻處的壓力脈動對泵殼體振動穩(wěn)定性影響大，軸頻處的壓力脈動是影響泵轉(zhuǎn)子

4、振動穩(wěn)定性的主要因素；流量變化對轉(zhuǎn)子振動穩(wěn)定性正相關(guān)，即隨著流量的增加，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動加強，流量變化對泵殼體振動穩(wěn)定性的影響則正好相反。⑵離心泵內(nèi)不穩(wěn)定流動特性及內(nèi)部流動損失研究。為研究葉輪結(jié)構(gòu)形式及流量工況對模型泵內(nèi)不穩(wěn)定流動結(jié)構(gòu)、流動損失的影響規(guī)律，本文結(jié)合數(shù)值計算和熵產(chǎn)理論，研究三種典型葉輪結(jié)構(gòu)及不同流量工況時模型泵內(nèi)部熵產(chǎn)大小和位置。研究發(fā)現(xiàn)，閉式葉輪離心泵不穩(wěn)定流動結(jié)構(gòu)和流動損失集中口環(huán)間隙附近及葉輪流道與平衡孔交界處；半開式葉

5、輪離心泵流道內(nèi)不穩(wěn)定流動結(jié)構(gòu)和流動損失主要集中在葉輪流道內(nèi)靠近葉頂間隙處；開式葉輪離心泵中，流道內(nèi)不穩(wěn)定流動結(jié)構(gòu)和流動損失主要集中在葉片流道的中后部區(qū)域。閉式葉輪離心泵中口環(huán)間隙處流動損失較大，且隨著流量的增加流動損失變大。小流量時，閉式葉輪流道出口隔舌區(qū)流動損失最大，隨著流量增加流動狀態(tài)改善，流動損失降低；大流量時泵出口隔舌區(qū)流動損失陡增。⑶流固耦合作用下模型泵動力學(xué)特性研究。為研究葉輪結(jié)構(gòu)形式及流量工況對模型泵結(jié)構(gòu)場動力學(xué)特性影響，

6、基于全流場數(shù)值計算對模型泵進(jìn)行流固耦合求解，研究三種典型葉輪結(jié)構(gòu)及不同流量工況下模型泵瞬態(tài)徑向力、等效應(yīng)力以及振動特性。研究發(fā)現(xiàn)，閉式葉輪徑向力和等效應(yīng)力最大，且等效應(yīng)力集中在口環(huán)處，但是葉輪振動速度最?。话腴_式葉輪等效應(yīng)力集中在葉片前緣和尾緣處；開式葉輪徑向力最小，等效應(yīng)力集中在葉片前緣、尾緣以及葉片中間位置。雖然閉式葉輪徑向力及等效應(yīng)力最大，但其振動最小，由此說明閉式葉輪具有的前后蓋板對泵的振動起到了一定的抑制作用。各流量工況下，蝸

7、殼徑向力均大于葉輪徑向力，蝸殼徑向力對流量變化更為敏感，其波動程度更劇烈。模型泵葉輪及蝸殼所受徑向力大小及波動在設(shè)計流量時較小，但偏離設(shè)計工況時增大，并在小流量最大。⑷離心泵內(nèi)不穩(wěn)定流動對泵振動影響規(guī)律研究。為進(jìn)一步研究泵內(nèi)壓力脈動、瞬態(tài)徑向力與振動特性之間的關(guān)聯(lián)，同時研究工況變化對泵振動和流動損失的影響規(guī)律。對偏離工況時閉式葉輪模型泵內(nèi)不穩(wěn)定流動規(guī)律以及次流動區(qū)域壓力脈動對泵動力學(xué)特性的影響進(jìn)行研究。研究發(fā)現(xiàn)，小流量時，蝸殼隔舌區(qū)流動

8、損失最大，且受到葉片與隔舌動靜干涉作用呈現(xiàn)以葉頻為主頻的脈動特性；大流量時，蝸殼出口流動損失最大，但對動靜干涉不敏感，泵內(nèi)不穩(wěn)定流動脈動以軸頻為主頻。葉輪口環(huán)間隙處的壓力脈動與葉輪徑向力和葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動成正相關(guān)，口環(huán)間隙內(nèi)不穩(wěn)定流動在一定程度上決定了徑向力及葉輪振動的變化趨勢。小流量工況時，蝸殼隔舌區(qū)的壓力脈動主導(dǎo)了徑向力及低頻段振動加速度變化，隨著流量的增加隔舌區(qū)對徑向力和振動加速度的影響逐漸減小，而泵出口處低壓區(qū)內(nèi)的不穩(wěn)定流動對徑