离心泵平衡孔泄漏特性研究

发布时间：2019-07-18 12:07

【摘要】：为平衡轴向力,在叶轮后盖板下部开设平衡孔广泛应用于离心泵的结构设计中。平衡孔连通了平衡腔与吸入侧,使平衡腔的液体压力降低,减小了作用在后盖板上的压力,从而消除或降低了轴向力。但由于液体从平衡腔流回吸入侧,产生了平衡孔的泄漏量,改变了离心泵内部流场,造成了容积损失,降低了离心泵的效率,甚至对泵的整机性能也带来一定影响。因此,对开设平衡孔离心泵内液体泄漏量的准确测量和计算尤为重要。而由于对离心泵内部流场理论研究不完善,测量泄漏量的实验手段实施困难,准确测量和计算离心泵内液体泄漏量已成为行业难题。本文采用理论分析,实验测量,数值模拟的方法,对离心泵内部流场结构、泄漏量特性进行了研究,并提出了离心泵内液体泄漏量的计算方法,对工程实践起到了一定的参考作用和实用价值。本文的主要研究工作有:1.引入了无量纲参数,得到了后泵腔不同轴向位置的径向速度分布,分析了各泵腔轴向间隙值对后泵腔液体径向流动的影响。结果表明:后泵腔轴向间隙s=10mm时,外流区和壁面边界层液体厚度约为后泵腔间隙值的20%,随轴向间隙的增大,两个区域液体厚度在不断增大,s=8mm,s=4mm时,分别约为轴向间隙值的30%,50%,相应的湍流核心区的厚度在减小。当s=1mm时,湍流核心区厚度极小,不同轴向位置的径向速度差别较大,此时径向速度沿轴向的梯度最大。2.采用RNG k-ε湍流模型,对后泵腔间隙分别为1、4、8、12、16、20mm的全流道模型进行数值模拟,分析了不同间隙值下,平衡腔液体压力的分布规律和泄漏量的变化情况.结果表明:后泵腔轴向间隙增大,平衡孔进口处平面和闷盖壁面压力随之升高,这个变化在轴向间隙为4mm~16mm时较为明显;同一工况下的平衡孔泄漏量随后泵腔间隙值的增大而上升,对于同一泵腔间隙,平衡孔泄漏量随流量的增大而较小。3.推导了与泵腔阻力系数、密封环阻力系数和平衡孔阻力系数相关的速度系数与隙径比的关系曲线和泄漏量计算公式,由关系曲线可知随隙径比的增大,全流道速度系数也在增大。全流道速度系数与隙径比的关系曲线和泄漏量计算公式可用于试验中对速度系数进行预估和泄漏量的求解,关系曲线可以预估隙径比在0.006~0.127的全流道速度系数,再与泄漏量计算公式联合,可求得不同泵腔轴向间隙的泵腔流道液体泄漏量。4.利用量纲分析方法,建立了平衡孔泄漏量的表达式,并通过对IS80-50-315型离心泵的数值模拟,获得了在叶轮不同转速工况下平衡孔泄漏量表达式坐标点,并利用origin软件对坐标点进行多项式拟合,建立平衡孔泄漏量的函数关系。结果表明:叶轮的旋转阻碍了液体从平衡腔流回离心泵的吸入侧,且转速越快,泄漏液体的阻力越大,平衡孔的泄漏量越小。5.利用浮动叶轮试验台开展了泵腔流道泄漏量实验,主要通过泄漏量测试装置来研究不同平衡孔的泄漏量特性。在密封环半径为89mm、长度为15mm以及同一叶轮的不同直径的平衡孔条件下,对后泵腔间隙为6mm的泵腔流道的液体压力和泄漏量进行了测试,间接的得到了不同平衡直径的泵腔内液体泄漏量特性。6.由量纲分析方法和数值模拟方法的联合运用所得到的平衡孔泄漏量函数,对实验方法测得的泵腔流道泄漏量进行了修正,提出了平衡孔泄漏量的确定一种新方法,为采用量纲分析、数值模拟、实验测量相结合研究离心泵平衡孔泄漏特性问题提供了借鉴作用。
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图片说明：图 2.1 实体模型腔 4..平衡孔 5.平衡孔进口处平面 6.闷盖连续的区域离散化生成网格的一种方分。网格的生成过程是两种不同坐的构造方法对于离散的控制方程求解影响。合理的网格构造对计算精度和网格线，并避免失真的网格。可分为结构化网格、非结构网格。中与所有网格点存在数学上的逻辑关网格节点的数据存储，只需保存网格因此结构化网格存储数据少，，网格坐区域中的各个网格点则有不同的相邻
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图片说明：（d）（e）（f）（a）进口段网格（b）前泵腔网格（c）后泵腔网格（d）叶轮网格（e）平衡腔网格（f）涡室网格图 2.2 流道网格2.2.3 计算方法选用 RNG k-ε 湍流模型封闭雷诺时均方程组，采用有限体积法离散控制方程，对湍流核心区域进行模拟计算。壁面边界层的求解，利用标准壁面函数补充。控制方程的扩散项采用中心差分格式离散，对流项则采用二阶迎风格式进行离散。控制方程的求解，采用 SIMPLE 半隐式算法。由质量守恒及进口无旋假设得出进口平面轴向流速，定义为速度进口。而进口平均速度可由不同工况下的流量和过流断面面积确定，计算公式为QvS （2.6）式中，Q—不同工况下的流量
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH311

【参考文献】