高速離心泵內(nèi)部流動及誘導振動特性研究.pdf

1、本文在國家杰出青年科學基金“離心泵基礎(chǔ)理論和節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)研究”(編號:50825902)和國家自然科學基金“離心泵內(nèi)部非定常流動誘導振動和噪聲機理”(編號:50979034)以及江蘇省自然科學基金“基于流固耦合的低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵非穩(wěn)定流動特性研究”(編號:BK2010347)的資助下開展工作。
　　 高速離心泵一般指轉(zhuǎn)速大于5000r/min的離心泵。高速泵具有單級揚程高、結(jié)構(gòu)緊湊、維護方便、可靠性好等優(yōu)點，在煉油、石油化工、化學

2、工業(yè)等行業(yè)廣泛應(yīng)用。低比轉(zhuǎn)速高速泵由于流量小，轉(zhuǎn)速高，離心葉輪內(nèi)部很容易產(chǎn)生回流和脫流現(xiàn)象，高速泵內(nèi)部非定常流動引起的振動問題備受重視，采用含分流葉片的復合葉輪將會改善葉輪流道內(nèi)的液流速度分布。論文采用數(shù)值模擬與實驗相結(jié)合的方法，對高速離心泵內(nèi)部流場及誘導振動特性進行了研究，主要的研究內(nèi)容和創(chuàng)新點有:
　　 (1)介紹了低比轉(zhuǎn)速離心泵加大流量設(shè)計法的基本原理，選取適當?shù)姆糯笙禂?shù)設(shè)計出高速離心泵葉輪和蝸殼;再根據(jù)復合葉輪的設(shè)計原理

3、設(shè)計出4+4，5+5兩種方案的復合葉輪，并以這三種模型泵為對象進行高速泵內(nèi)流場和流動誘導振動分析。
　　 (2)運用ANSYSCFX軟件對三種方案下不同工況高速泵流場進行了數(shù)值模擬，并與實驗結(jié)果進行了對比。模擬得到的性能曲線和實驗結(jié)果趨勢基本一致，實驗所得的效率和揚程曲線均略低于模擬結(jié)果，各個曲線的最大誤差不超過5.8％，模擬預測所得的揚程曲線均隨著流量的增大而降低，各個工況下，揚程從小到大的排列順序為全葉片葉輪、4+4葉輪和5

4、+5葉輪。由于采用加大流量設(shè)計法設(shè)計高速泵葉輪，實驗和模擬得到的性能曲線均在大流量處達到最高效率。分流葉片形式的高速泵具有更加均勻的壓力分布。
　　 (3)首次分析各個工況下有無分流葉片的高速泵葉輪徑向力分布情況，發(fā)現(xiàn)分流葉片的添加可以很好地降低高速泵葉輪的徑向力;隨著流量的增大，3種方案的高速泵葉輪所受到的徑向力呈減小的趨勢，在最大流量處徑向力最小，且各個方案的徑向力方向均指向直角坐標系第二象限。
　　 (4)以定常計

5、算結(jié)果為初始條件對三種高速泵方案進行了非定常的數(shù)值計算，分析了不同時刻隔舌附近的靜壓情況及蝸殼內(nèi)的壓力脈動情況。發(fā)現(xiàn)在葉輪流道出口處產(chǎn)生的射流-尾跡現(xiàn)象與定常計算結(jié)果相比更加明顯，設(shè)計工況下隔舌附近的壓力脈動呈現(xiàn)出明顯的周期性，合適地添加分流葉片可以有效地減小隔舌處壓力脈動。兩種分流葉片方案的壓力峰值均出現(xiàn)在葉頻及其倍頻處，全葉片壓力峰值在兩倍葉頻處。偏離設(shè)計工況下高速泵隔舌和蝸殼內(nèi)的壓力脈動幅值在大流量下要大于小流量的幅值，隔舌附近處

6、壓力脈動均有最大峰值且向蝸殼其他部位擴散，距離隔舌越遠，壓力脈動越小。
　　 (5)介紹了模態(tài)分析的基本理論，首次運用單向流固耦合方法對有無分流葉片的高速泵轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進行了模態(tài)分析，獲得了轉(zhuǎn)子各階模態(tài)及振型，得出分流葉片的添加可以加大轉(zhuǎn)子部件的固有頻率，發(fā)現(xiàn)分流葉片轉(zhuǎn)子的葉片通過頻率很接近第四階和第五階固有頻率，在工作時發(fā)生振動的可能性比較大。因此，復合葉輪轉(zhuǎn)子的模型泵設(shè)計不夠合理，需要對結(jié)構(gòu)改進使轉(zhuǎn)子各階固有頻率偏離轉(zhuǎn)子的軸頻和

7、葉片通過頻率。
　　 (6)搭建了基于虛擬儀器的高速泵振動測試試驗臺，對有無分流葉片的高速泵泵體振動信號進行了測量并分析，發(fā)現(xiàn)兩種方案的高速泵振動信號都有一定的周期性，徑向烈度要大于軸向的振動烈度。全葉片高速泵看出各個工況下在軸頻和葉頻處產(chǎn)生了較大的振幅，流量越大，振幅也越大。帶分流葉片的高速泵的葉頻幅值相對較小，說明分流葉片可以減小由動靜干涉等流動誘導振動。由機械原因?qū)е碌母咚俦谜駝泳哂懈蟮姆?，因此對高速泵加工和安裝的要求