【摘要】：單葉片離心泵由一枚大包角葉片包絡(luò)形成單一流道,具有極佳的無(wú)堵塞性能,適用于輸送具有長(zhǎng)纖維和大顆粒的介質(zhì),適用范圍極廣。然而非軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)的單葉片離心泵葉輪在運(yùn)行中伴隨著強(qiáng)烈的壓力脈動(dòng),同時(shí)水力不平衡引起的徑向力很大,影響了泵的運(yùn)行穩(wěn)定性,限制了其大范圍推廣應(yīng)用。因此,為了改善單葉片離心泵的運(yùn)行穩(wěn)定性,本文在國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“高效環(huán)保用泵關(guān)鍵技術(shù)研究及工程應(yīng)用”(項(xiàng)目編號(hào)2011BAF14B01)、江蘇省自然科學(xué)基金“高壓多級(jí)離心泵壓力脈動(dòng)的空間耦合與調(diào)控機(jī)理研究”(項(xiàng)目編號(hào)20150508)、江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目“單流道泵的設(shè)計(jì)及內(nèi)部流動(dòng)特性分析”(項(xiàng)目編號(hào)KYLX_1043)等項(xiàng)目的資助下,對(duì)單葉片離心泵內(nèi)部非定常流動(dòng)特性及誘導(dǎo)水力徑向力進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。本文的主要研究?jī)?nèi)容及取得的創(chuàng)新性成果如下:1.基于定常全流場(chǎng)數(shù)值模擬分析了單葉片離心泵內(nèi)流場(chǎng)特性及外特性,搭建單葉片離心泵綜合性能實(shí)驗(yàn)臺(tái),驗(yàn)證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明,與相同比轉(zhuǎn)速的普通多葉片離心泵相比,單葉片離心泵Q-H為陡降曲線且效率偏低;建立了單葉片離心泵葉輪水力損失模型,揭示了單葉片離心泵效率偏低的主要原因是耗散損失較大,具體表現(xiàn)為單葉片離心泵葉輪流道內(nèi)存在明顯的低速區(qū)及流動(dòng)分離區(qū),且壓力呈圓周非對(duì)稱分布。為改善單葉片離心泵性能,構(gòu)建了葉片出口安放角、葉片包角與單葉片離心泵外特性的響應(yīng)關(guān)系。結(jié)果表明單葉片離心泵揚(yáng)程、功率、效率均隨葉片出口安放角增大而提高,但葉片出口安放角增大至18°后,由于葉輪內(nèi)流動(dòng)滑移加劇,變化不再明顯;隨著葉片包角的增大,泵揚(yáng)程呈增大趨勢(shì)并且Q-H曲線變陡,泵的效率也有所提高,但高效區(qū)變窄。2.基于非定常數(shù)值模擬對(duì)比分析了蝸殼對(duì)泵內(nèi)壓力脈動(dòng),結(jié)果表明,螺旋形蝸殼和環(huán)形蝸殼內(nèi)壓力脈動(dòng)的主頻均為葉輪轉(zhuǎn)頻,而無(wú)蝸殼時(shí)泵內(nèi)壓力脈動(dòng)無(wú)明顯主頻特征,其壓力脈動(dòng)強(qiáng)度比有蝸殼時(shí)低一個(gè)數(shù)量級(jí),表明單葉片離心泵內(nèi)壓力脈動(dòng)的主要原因是葉輪與蝸殼的動(dòng)靜干涉作用。蝸殼內(nèi)的壓力脈動(dòng)主要受葉輪出口的勢(shì)流與蝸殼壁面的相互作用。對(duì)比不同流量工況下泵內(nèi)的壓力脈動(dòng)發(fā)現(xiàn),在小流量工況下由于存在嚴(yán)重的流動(dòng)分離加劇了壓力脈動(dòng)。進(jìn)一步分析了不同葉片出口安放角、不同葉片包角對(duì)壓力脈動(dòng)的影響,表明單葉片離心泵壓力脈動(dòng)隨葉片出口安放角的增大而增強(qiáng),而隨葉片包角的增大而減弱。3.采用高頻壓力脈動(dòng)傳感器分別測(cè)量了螺旋形蝸殼壁面和前泵腔的壓力脈動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明蝸殼內(nèi)壓力脈動(dòng)從隔舌沿著葉輪旋轉(zhuǎn)方向逐漸減弱,且壓力脈動(dòng)強(qiáng)度在額定流量工況附近最小。與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比分析表明,各流量工況下頻域圖均與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致,主頻為葉輪轉(zhuǎn)頻,但實(shí)驗(yàn)結(jié)果在5 f_n范圍內(nèi)也存在較為明顯的寬頻壓力脈動(dòng)信號(hào),表明泵內(nèi)存在較強(qiáng)的流動(dòng)分離。蝸殼壓力脈動(dòng)強(qiáng)度隨著轉(zhuǎn)速的降低顯著減小,但壓力脈動(dòng)強(qiáng)度并不完全符合轉(zhuǎn)速的相似換算。轉(zhuǎn)速越高動(dòng)靜干涉作用越強(qiáng),壓力脈動(dòng)周期性越強(qiáng),在小流量低轉(zhuǎn)速時(shí)壓力脈動(dòng)變得更復(fù)雜,周期性變?nèi)�。前泵腔壓力也呈周期性波�?dòng),動(dòng)靜干涉作用在前泵腔變?nèi)�。�?shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)所得壓力脈動(dòng)結(jié)果變化趨勢(shì)一致,在額定流量工況下數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)壓力脈動(dòng)曲線基本重合。4.基于非定常數(shù)值模擬對(duì)比分析了蝸殼對(duì)單葉片離心泵葉輪所受徑向力的影響,葉輪所受徑向力隨葉輪旋轉(zhuǎn)周期波動(dòng),采用螺旋形蝸殼時(shí)葉輪所受徑向力最大,無(wú)蝸殼時(shí)徑向力最小,三個(gè)模型葉輪所受徑向力隨葉輪旋轉(zhuǎn)變化曲線均為畸變圓形,圓心偏離原點(diǎn)。揭示了單葉片離心葉輪徑向力產(chǎn)生機(jī)理:葉輪所受徑向力主要是由葉片工作面與背面的壓差所致,葉輪與蝸殼的動(dòng)靜干涉是徑向力大小出現(xiàn)周期波動(dòng)的主要原因。轉(zhuǎn)速對(duì)葉輪所受徑向力系數(shù)影響不大,采用環(huán)形蝸殼及無(wú)蝸殼時(shí)葉輪徑向力隨著流量增加而增大,而采用螺旋形蝸殼時(shí)在葉輪旋轉(zhuǎn)150°-330°范圍徑向力隨流量增加而變大,其它區(qū)域在小流量工況下徑向力最大。進(jìn)一步對(duì)比分析了不同葉片出口安放角、不同葉片包角、以及葉輪偏心對(duì)徑向力的影響,表明徑向力隨葉片出口安放角的增大而增大,而隨葉片包角的增大而減小,單葉片離心泵葉輪偏心對(duì)徑向力影響不如普通離心泵顯著。在此基礎(chǔ)上首次提出將葉輪旋轉(zhuǎn)中心偏心來(lái)平衡葉輪所受徑向力,葉輪中心偏心后徑向力時(shí)均值在額定流量工況下減小了17%,大流量工況下減小了12.5%,小流量工況下減小了6%。同時(shí)提出基于ADAMS虛擬樣機(jī)仿真配重,采用葉輪重心偏心的方法平衡徑向力,可有效地平衡葉輪所受徑向力,改善單葉片離心泵的運(yùn)行穩(wěn)定性。搭建了單葉片離心泵水力誘導(dǎo)徑向力測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái),首次采用微型測(cè)力傳感器和霍爾感應(yīng)器測(cè)得了單葉片離心泵水力誘導(dǎo)徑向力。兩個(gè)葉輪水力誘導(dǎo)徑向力均隨葉輪旋轉(zhuǎn)周期波動(dòng),主頻為葉輪轉(zhuǎn)頻,徑向力大小隨葉輪旋轉(zhuǎn)變化曲線為偏離中心的畸變圓形,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬趨勢(shì)基本一致。5.搭建了單葉片離心泵振動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái),采用非接觸式電渦流位移傳感器測(cè)得了水力誘導(dǎo)葉輪口環(huán)瞬態(tài)位移,通過(guò)在蝸殼安裝加速度傳感器測(cè)量了蝸殼的徑向振動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明葉輪口環(huán)瞬態(tài)位移軌跡為畸變的橢圓形,在0.2Q_d流量工況下口環(huán)位移激增,隨著流量的增大口環(huán)位移不斷減小,但達(dá)到額定流量工況后變化不再顯著。葉輪口環(huán)位移隨轉(zhuǎn)速的增加不斷增大,最大位移變化規(guī)律與徑向力隨轉(zhuǎn)速變化規(guī)律一致。隨著流量增大,蝸殼徑向振動(dòng)呈增大趨勢(shì)。蝸殼的徑向振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速的增大迅速提高,蝸殼徑向振動(dòng)加速度均方根值近似與轉(zhuǎn)速的平方呈正比。
【圖文】：

1.進(jìn)口 2.葉輪 3.泵腔 4.蝸殼 5.出口圖 2-1 單葉片離心泵結(jié)構(gòu)示意圖心泵常用方格網(wǎng)保角變化法進(jìn)行葉片繪型，但單葉片離心泵葉片包角泵，采用保角變化法繪型復(fù)雜耗時(shí)。由于單葉片離心泵葉輪僅有一枚一流道，劉厚林等[20,114]提出采用流道式繪型方法，，即通過(guò)引導(dǎo)線及流

BladeGen葉片繪型界面
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TH311

【參考文獻(xiàn)】

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