【摘要】：離心泵是國民經(jīng)濟建設(shè)中用途較廣耗能較高的重要設(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)合的方法,分析了泵內(nèi)間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(jié)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(guān)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,定量分析了時間步長引起的差異。結(jié)合實驗驗證了數(shù)值求解方法的正確性和準(zhǔn)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(jié)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(jié)合熵產(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(jié)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(guān)聯(lián)。采用能量梯度理論對泵內(nèi)不穩(wěn)定流動易發(fā)生區(qū)進行預(yù)判,歸納了葉片做功能力與流量間的關(guān)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(fù)雜,仍受葉輪與隔舌間動靜干涉影響�？偨Y(jié)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(guān)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(dǎo)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(zhuǎn)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(dāng)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�？诃h(huán)大小改變對間隙內(nèi)壓力脈動強度有輕微影響�？偨Y(jié)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(jié)構(gòu)對離心泵性能的影響,發(fā)現(xiàn)在相同的口環(huán)間隙大小和長度下,凹槽形和臺階形口環(huán)間隙結(jié)構(gòu)對離心泵外特性的影響近似可忽略,而臺階形口環(huán)間隙結(jié)構(gòu)對泵內(nèi)流動有輕微影響。臺階形口環(huán)間隙結(jié)構(gòu)對間隙流動的阻礙作用增強,降低了口環(huán)泄漏流對葉輪進口主流造成的干擾�？诃h(huán)間隙結(jié)構(gòu)改變對間隙內(nèi)壓力脈動強度有輕微影響。
【圖文】：

圖 1.1 離心泵內(nèi)非定常流動[1, 5]大曲率葉片以及高速旋轉(zhuǎn)運動使得葉輪內(nèi)始終存在多種不穩(wěn)定流動現(xiàn)象。在小流量工況下，葉輪流道內(nèi)旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象是影響離心泵運行穩(wěn)定性的重要因素之一[15-17]。早在 1970年，Lennemann 等[18]采用實驗方法研究了葉輪流道內(nèi)失速機理，研究發(fā)現(xiàn)單個葉輪流道中的失速機制與邊界層分離、葉輪和誘導(dǎo)輪二次流的影響，揭示葉輪流道內(nèi)失速的傳播與誘導(dǎo)輪回流有關(guān)。Abramian 等[19]通過測量獲得了不同流量工況下葉輪內(nèi)瞬態(tài)速度場，在小流量工況下捕捉到清晰的旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象。隨后，Wang 等[20]通過采用數(shù)值計算和實驗相結(jié)合的方法捕捉到小流量工況下葉輪和導(dǎo)葉流道內(nèi)的旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象，并認為這可能是泵內(nèi)流動不穩(wěn)定特性的主要來源。實驗測試中旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象的捕捉促使廣大泵工作者對其起因開展研究。Sinha 等[21-23]通過采用 PIV 技術(shù)和壓力脈動相結(jié)合的方法對泵內(nèi)旋轉(zhuǎn)失速的發(fā)生和發(fā)展進行了詳細的實驗研究，結(jié)果表明隨著流量的減小，失速團由一個導(dǎo)葉流道擴散到兩個導(dǎo)葉流道中。吳玉林等[24]采用 PIV 技術(shù)對離心泵內(nèi)流動結(jié)構(gòu)開展研究。劉厚林等[25]通過對泵內(nèi)葉輪失速現(xiàn)象測量，發(fā)現(xiàn)失速現(xiàn)象主要由葉片工作面流動分離引起的。此外，Lucius

圖2.1 為離心泵測試系統(tǒng)示意圖，圖 2.2 為離心泵測試實物圖。本文的實驗用泵為 6 葉片閉式葉輪離心泵，額定轉(zhuǎn)速為 2900r/min，，表 2.1 為離心泵具體性能參數(shù)和幾何參數(shù)，實驗中離心泵內(nèi)介質(zhì)為清水。圖 2.1 離心泵測試系統(tǒng)示意圖圖 2.2 離心泵測試實物圖
【學(xué)位授予單位】：浙江理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TH311

【參考文獻】

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1 DOU Huashu;ZHANG Shuo;YANG Hui;SETOGUCHI Toshiaki;KINOUE Yoichi;;Effect of Rotational Speed on the Stability of Two Rotating Side-by-side Circular Cylinders at Low Reynolds Number[J];Journal of Thermal Science;2018年02期

2 ZHENG Lulu;DOU Hua-Shu;CHEN Xiaoping;ZHU Zuchao;CUI Baoling;;Pressure Fluctuation Generated by the Interaction of Blade and Tongue[J];Journal of Thermal Science;2018年01期

3 羅興

本文編號：2608345