蝸殼式潛污軸流泵內(nèi)流數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究.pdf

1、軸流泵是一種被廣泛應(yīng)用的高比轉(zhuǎn)速葉片泵，其壓水室一般為導(dǎo)葉式。本文研究的蝸殼式潛水軸流泵具有過流能力強(qiáng)，安裝方便，節(jié)約成本等優(yōu)點(diǎn)。目前對于蝸殼式軸流泵的研究還很少，尤其是利用計(jì)算流體力學(xué)方法和試驗(yàn)對蝸殼式軸流泵進(jìn)行水力優(yōu)化，研究其內(nèi)流場特性，結(jié)構(gòu)特性以及壓力脈動的變化趨勢。
　　本文以理論分析為基礎(chǔ)，運(yùn)用ANSYS-CFX對蝸殼式軸流泵的水力模型進(jìn)行數(shù)值模擬，對其結(jié)果進(jìn)行分析研究后，將水力模型進(jìn)行了優(yōu)化。并對其內(nèi)部監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動

2、情況進(jìn)行了時(shí)域分析以及頻率分析；同時(shí)對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了流固耦合計(jì)算，最后生產(chǎn)加工水泵進(jìn)行試驗(yàn)。本文的主要研究內(nèi)容和結(jié)論有：
　　1.對蝸殼式軸流泵進(jìn)行了設(shè)計(jì)和定常數(shù)值模擬，通過數(shù)值模擬計(jì)算對蝸殼斷面形狀，蝸殼基圓直徑，蝸殼進(jìn)口寬度三個(gè)方面進(jìn)行對比優(yōu)化。優(yōu)化結(jié)果表明，“蝸殼3”的斷面較原始方案和“蝸殼2”具有更好的外特性表現(xiàn)以及更順暢的流場分布；基圓直徑180mm的蝸殼，揚(yáng)程和效率要高于其余170mm和190mm，較大的基圓對葉輪運(yùn)動有

3、一定影響，但影響較小。而較大的基圓直徑會增加液體在蝸殼中的能量損失。蝸殼進(jìn)口寬度對蝸殼式軸流泵外特性影響較小，蝸殼進(jìn)口寬度為100mm時(shí)，整個(gè)外特性表現(xiàn)較好。將蝸殼式軸流泵與導(dǎo)葉式軸流進(jìn)了對比，對比發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉式軸流泵的揚(yáng)程和效率明顯高于蝸殼式軸流泵。
　　2.對蝸殼式軸流泵進(jìn)行了非定常數(shù)值計(jì)算，對葉輪進(jìn)出口、蝸殼內(nèi)的壓力脈動以及葉輪所受軸向力、徑向力進(jìn)行了分析。葉輪進(jìn)出口與蝸殼內(nèi)不同斷面位置的監(jiān)測點(diǎn)壓力脈動規(guī)律明顯。葉片進(jìn)口監(jiān)測點(diǎn)壓

4、力脈動幅度從輪緣到輪轂側(cè)壓力脈動幅度與范圍逐漸減小。葉輪進(jìn)出口的監(jiān)測點(diǎn)其主頻為葉頻；在0.8Qopt、1.0Qopt、1.2Qopt三個(gè)工況時(shí)，監(jiān)測點(diǎn)主頻均以葉頻為主。在0.8Qopt、1.0Qopt、1.2Qopt三個(gè)工況下，葉輪受到的徑向力與軸向力隨時(shí)間變化有明顯的規(guī)律。
　　3.分別對不同工況下流體載荷對葉輪，軸，蝸殼三個(gè)結(jié)構(gòu)所受到的應(yīng)力分布以及結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行了計(jì)算和分析，結(jié)果表明：流體荷載對葉輪受力及變形起主要作用；施加流體

5、載荷后葉輪變形分布呈現(xiàn)不對稱分布，隨著流量的增加不對稱性更加明顯。葉輪變形隨著半徑的增加而增加，在葉輪出口外緣處最大。隨著流量的增加，葉輪最大變量變小。不同流量工況下，蝸殼的應(yīng)力分布與變形規(guī)律一致，蝸殼的變形呈現(xiàn)明顯的不對稱分布，第一斷面到第五斷面變形量逐漸增加，在第五斷面變形量達(dá)到最大，第五斷面到第七斷面變形量逐漸減小，到葉輪出口處蝸殼變形幾乎為零。軸上應(yīng)力分布均勻，沒有出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，在靠近葉輪的軸段變形量較大，設(shè)計(jì)工況下強(qiáng)度滿

6、足要求。
　　4.通過3D打印快速成型技術(shù)制作葉輪和蝸殼的聚氯乙烯模具，并經(jīng)過機(jī)械加工生產(chǎn)裝配出蝸殼式軸流泵模型泵。之后對蝸殼式軸流泵進(jìn)行了外特性試驗(yàn)，對比試驗(yàn)結(jié)果與對應(yīng)的加厚葉輪數(shù)值模擬結(jié)果可看出二者流量-揚(yáng)程曲線和流量-效率曲線趨勢保持一致，設(shè)計(jì)工況點(diǎn)效率相差1.2％，相對誤差在3%之內(nèi)，說明數(shù)值模擬結(jié)果是可信的。對蝸殼式軸流泵進(jìn)行了壓力脈動試驗(yàn)，在蝸殼主要斷面與出口附近設(shè)置共4個(gè)壓力傳感器。結(jié)果表明在設(shè)計(jì)工況下，4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的