低比转速离心泵空化流动控制的研究

发布时间：2018-05-20 01:09

本文选题：低比转速离心泵 + 翼型　；参考：《江苏大学》2016年博士论文

【摘要】：低比转速离心泵是一种特殊的离心泵,通常比转速在30～80之间,具有高扬程、小流量、叶轮外径大、效率较低等特点。当叶轮进口处的压力降低到饱和蒸气压时叶片吸力面上就会发生空化,引发一系列的流动变化;内部变化如非定常湍流脉动加剧、空泡的产生与破灭造成液体可压缩性、叶片载荷的剧烈变化等;外部变化如泵扬程的突降、效率下降、运行过程中噪声增大、管路振动等。本文以NACA0012翼型和不同形式的低比转速离心泵为研究对象,采用理论分析、试验研究和数值计算相结合的方法,针对NACA0012翼型、普通离心泵、低比转速恒扬程泵、低比转速不锈钢冲压焊接离心泵的设计方法、空泡流变化、扬程下降、叶片载荷变化等内容进行系统研究,并逐一分析空化流动控制的方案。主要研究内容和创新成果有:(1)对比分析了 Kunz空化模型和改进的Kubota空化模型对NACA0012翼型的空化求解的适用性,发现改进的Kubota空化模型求解的流场更接近于真实流动,为低比转速离心泵的空化求解提供了一种可供选择的空化模型,基于改进的Kubota空化模型和头部开缝控制技术针对NACA0012翼型的空化流动进行了控制,给出了攻角3°、5°、7°和空化数0.7和0.8典型的6个工况下的空化流动;在小攻角流动中,翼型头部开缝有助于抑制空化的发生,通过引入高压流体到吸力面可以改善空化流动,流线紧贴翼型表面,未发生流动分离;在大攻角流动中,开缝的翼型空化流动极其复杂,高压流体无法对空泡进行有效约束;(2)针对比转速为93的悬臂式(端吸)直联泵,采用改进的Kubota空化模型和修正的湍流模型数值求解了离心泵的空化流动,探索了空泡演变过程、空泡结构和空泡类型,类比了高速摄影得到的空泡流型,提出了 5种不同形式的空化过程。结果表明叶片进口压力降低后首先在叶片吸力面头部形成附着空化,随着压力的近一步降低,空泡会向叶轮前盖板位置移动,并附着在前盖板上对液流造成阻塞,设计工况下初生空化数和严重空化数相差一个数量级,空泡在子午面上首先出现在后盖板处,而后附着在前盖板靠近叶轮出口位置;离心泵大流量下空化使得外特性突降和飞机穿越结冰区升力下降的原因类似,都是因为叶片型线发生了改变引起的。(3)针对低比转速恒扬程泵和普通低比转速离心泵的异同点,推导了理论上的扬程和流量、流量和功率之间的数学关系,分析了叶轮的水力设计,比较了低比转速恒扬程泵和低比转速离心泵的关系,二者相同点是在大流量工况下扬程、效率和功率均突然下降,在叶轮出口位置均有非常明显的液流尾迹,造成了很大的流动损失;不同点在流量的变化对于扬程影响,低比转速恒扬程泵可以改善小流量超压的问题;基于偏置短叶片理论对低比转速恒扬程泵叶轮进行了一次改型,成功控制了叶片出口位置的压力和速度分布,当偏置短叶片伸进叶轮轴向旋涡区可以明显地提高低比转速恒扬程的扬程和效率;基于长短叶片理论和贝塞尔曲线控制设计叶轮方法对叶轮进行二次改型,发现采用长短叶片和的叶轮扬程普遍高于只有长叶片的叶轮,设计工况下采用贝塞尔曲线设计的叶轮效率高于原叶轮;(4)为确定不同形式的开缝对低比转速恒扬程泵的影响,采用NACA0012翼型引射流技术对其进行了 6种开缝设计,采用RNG k-ε湍流模型和改进的Kubota空化模型对其空化流动进行了数值求解。结果表明:在大流量工况下运行时,低比转速恒扬程泵外特性突降的原因在于叶片发生空化后附着空化造成的,改变了叶片型线,堵住了整个流道,造成了叶片做功能力逐步丧失;选择合理的开缝宽度和角度,可以使叶轮流道内的流动更加均匀,湍流减小,提高泵的效率,还可以改善低比转速恒扬程泵的空化性能,延缓空化的发生,降低泵的必需空化余量。(5)在低比转速恒扬程泵空化流动控制的基础上分析了一款比转速为33低比转速离心泵的空化流动,并对其叶片头部进行开缝设计。结果表明:针对低比转速离心泵的数值预测的效率值比试验值高3%左右,预测的必需空化余量为1.847m,试验值为1.81m,误差2.04%;当空化余量NPSH=3.064m初生空化时,未开缝叶轮的每一个叶片吸力面头部均出现了空泡,开缝叶轮只是在部分叶片头部出现了空化;当空化余量NPSH=1.226m、0.919m时,为完全空化和断裂空化,开缝对叶轮空化的控制不明显,空泡完全占据了整个叶轮区域。(6)以基于5次Hermite插值函数的不锈钢冲压焊接低比转速离心泵CP220A为研究对象,分析了空化特性,并将头部开缝技术在CP220A中进行了应用,给出了不锈钢冲压焊接叶轮工艺流程。研究表明,对于低比转速不锈钢冲压焊接离心泵的空化流动求解准确可靠,该型泵在叶片压力面上存在明显的无空化区域,尤其在设计工况靠后时此现象尤为明显;缝隙的宽度影响泵的最大流量点,缝隙为1mm的3#泵和4#泵、1.5mm的2#泵具有较宽的高效区;合理的开缝可以拓宽泵的运行高效区,采用冲压焊接技术可以制造出满足要求的头部开缝叶轮。
[Abstract]:This paper studies the cavitation flow of NACA0012 airfoil by means of the improved Kubota cavitation model and the modified Kubota cavitation model . The results show that the cavitation is firstly formed on the head of the suction surface of the blade after the blade inlet pressure is decreased , and the cavitation can move toward the front cover plate of the impeller when the pressure of the blade inlet is decreased , and the cavitation number and the severe cavitation number are different by one order of magnitude on the front cover plate , and the cavitation is firstly appeared at the rear cover plate at the meridian plane , and then the cavitation bubbles are attached to the front cover plate near the impeller outlet position ; ( 3 ) For low specific speed constant - lift pump and ordinary low - specific - speed centrifugal pump , the mathematical relationship between head lift and flow , flow and power is deduced . The influence of low specific speed constant - lift pump and low - specific - speed centrifugal pump is analyzed . On the basis of low specific rotation speed constant - lift pump cavitation flow control , the cavitation flow of a centrifugal pump with a specific rotation speed of 33 low specific speed is analyzed .
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH311

【参考文献】