離心泵口環(huán)間隙非定常流動機理研究.pdf

1、離心泵是國民經(jīng)濟建設中用途較廣耗能較高的重要設備，深入研究離心泵的內(nèi)部流動，提高離心泵的性能具有重要的理論意義和實用價值。離心泵口環(huán)泄漏流與葉輪進口主流間的干擾，會引起葉輪進口流動結構發(fā)生變化，對葉輪入口有序的流動造成干擾，從而對泵內(nèi)流動狀態(tài)及泵運行穩(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)間隙非定常流動特性為研究對象，采用數(shù)值計算、實驗研究和理論分析相結合的方法，分析了泵內(nèi)間

2、隙流動的非定常流動特性，研究了口環(huán)泄漏流與葉輪進口主流間的相互作用，獲得了口環(huán)間隙流對離心泵內(nèi)部流動及外特性的影響。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)間隙測試實驗平臺，通過同步采集測量了離心泵外特性、壓力脈動信號及振動信號，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。結果表明，口環(huán)間隙的增大，對外特性的影響表現(xiàn)為泵揚程和效率的下降;對內(nèi)流場影響表現(xiàn)為:蝸殼及泵腔各測點

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

4、長引起的差異。結合實驗驗證了數(shù)值求解方法的正確性和準確性。
　　(3)研究了離心泵內(nèi)間隙流動對泵外特性性能的影響，通過對比分析考慮間隙和不考慮間隙離心泵模型的計算結果，揭示了間隙流動引起泵內(nèi)流場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)間隙流動引起的泵內(nèi)流動損失的不同。分析了口環(huán)泄漏流與葉輪進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。闡述了間隙流動對葉輪內(nèi)分離渦的演變及有序變遷規(guī)律的影響，結合熵

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

6、不穩(wěn)定流動易發(fā)生區(qū)進行預判，歸納了葉片做功能力與流量間的關聯(lián)。間隙流動的研究揭示了泵腔內(nèi)壓力及壓力脈動分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)小流量下壓力最高，泵腔進口壓力脈動強度較強。獲得了口環(huán)間隙內(nèi)詳細的流動分布特性，發(fā)現(xiàn)進口縮流損失是引起間隙進口流動參數(shù)突變的主要原因之一，具體表現(xiàn)為動壓和湍動能的驟增，靜壓的驟減，而總壓平緩減小。發(fā)現(xiàn)口環(huán)間隙壓力脈動特性較復雜，仍受葉輪與隔舌間動靜干涉影響。總結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系，發(fā)現(xiàn)流量增加引起進口主流能量的增大，不斷削弱泄漏流對主流的影響。
　　(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，通過實驗和數(shù)值計算驗證了口環(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，泵內(nèi)流動損失增加，引起水力效率和容積效率降低，導致?lián)P程和總效率的減小。分析了葉輪內(nèi)不同口環(huán)間隙時流動差異的原因，即口環(huán)間隙改變引起的葉輪進口流量變化，小流量下葉輪內(nèi)流

8、動存在明顯差異。研究了口環(huán)間隙內(nèi)詳細的流動分布特性，發(fā)現(xiàn)在口環(huán)間隙進口處總壓下降較大，然后由于葉輪旋轉影響，沿間隙流流動方向，總壓逐漸上升，達到極大值，隨后逐漸下降直至口環(huán)間隙出口。當口環(huán)間隙增加時，間隙內(nèi)流體靜壓減小動壓增大，流體總壓略增。口環(huán)大小改變對間隙內(nèi)壓力脈動強度有輕微影響。總結了口環(huán)間隙大小引起葉輪進口流態(tài)的變化，發(fā)現(xiàn)口環(huán)間隙增大，泄漏量增大，流動損失增加，從而擾亂了葉輪進口流態(tài)。
　　(6)研究了口環(huán)間隙結構對離心泵