离心泵流体激振计算分析及控制策略

发布时间：2019-11-23 05:12

【摘要】：本文以比转速为63的单级单吸离心泵为研究对象,通过理论分析与数值模拟,研究了泵的上游管路存在90度弯管时,不同转速和流量下泵的外特性、压力脉动特性和内部流场的特征。研究了采用不同方式改变叶轮与隔舌之间间隙对泵内外特性和压力脉动特性的影响。论文的研究内容包括以下五个方面:1.90度弯管下游管路的非定常特性以90度弯管及其上游和下游管路的流动区域为研究对象,研究不同入流速度、不同管路直径和不同弯管中心线半径下90度弯管下游管路内流体非定常特性的特征。结果表明:高雷诺数下,弯管内发生边界层分离是影响弯管下游流动状态的主要因素。分离点后生成的大尺度拟序结构主宰当地的流动状态并沿下游方向传播、消散。分离点的位置不随入流速度和管路直径而发生明显改变。入流速度和弯管曲率影响着弯管下游管路内部的流动特征和壁面压力波动特性。小曲率90度弯管下游管路的压力波动明显低于大曲率弯管。2.90度弯管对下游离心泵的外特性和压力脉动特性的影响对比分析了泵在最佳工况运行时,直管入流和弯管入流条件下泵外特性、压力脉动特性和流场特征的差异。分析了当弯管距离叶轮的距离不同时,入流管路的流动特征和泵外特性的差异以及泵内部流动特征的变化。结果表明:叶轮和弯管下游的流动相互影响。例如,当弯管距泵入口距离L等于0时,弯管小半径处流动区域的边界层分离受到了抑制。弯管入流时泵的扬程和效率高于直管入流时的状态,其中扬程最高提升了2%,效率最高提升了1.2个百分点。弯管与叶轮的距离不同,泵不均匀入流的流动特征不同。弯管入流不会对压水室和叶轮径向力的均值产生明显的影响,但是压水室径向力脉动幅值则随弯管与叶轮的距离不同而改变。弯管距泵入口距离L等于3倍泵入口直径时压水室径向力脉动幅值为直管入流时的82%。3.不同流量和转速直管入流离心泵压力脉动特性研究了直管入流时不同转速和流量下泵的压力脉动特性。首先将外特性的数值模拟结果与实验进行了比对,并分析了数值模拟结果与实验结果产生差异的因素。然后对径向力特性进行了分析。结果表明:叶轮和压水室径向力的的无量纲化值随流量系数近似呈线性变化。叶轮与压水室径向力的最低值出现在最佳工况及其相似工况点。隔舌压差的变化与径向力不同。隔舌压差的最低值出现在0.8倍最佳工况点及其相似工况点附近。径向力和隔舌压差均以叶频及其倍频为主要频率。频谱特性随泵的转速和流量不同而改变。隔舌压差的频谱特性随工况的改变与径向力相比略有不同。如在设计流量下改变转速后,径向力部分频次的能量有所升高,而隔舌压差则有所降低。隔舌压差与隔舌上游和下游流动参数的相关性分析表明,在最佳工况下,隔舌压差与其下游的流动存在一定的相关性。而当流量为0.8倍最佳工况时,这一相关性已经不再明显。4.不同流量和转速弯管入流离心泵压力脉动特性分析了当泵的入流管路存在弯管时,不同转速和流量下泵外特性和压力脉动特性的变化。着重对比了直管入流和弯管入流泵压力脉动特性的差异。结果表明:除了在最佳工况和设计转速下的0.8Qopt工况,弯管入流与直管入流在外特性和隔舌压差幅值上没有明显的差异。在设计转速下的0.8Qopt工况,弯管入流的隔舌压差脉动幅值是直管入流时的三倍;扬程略有下降,效率下降了0.5个百分点。不同入条件下,叶轮和压水室径向力的均值以及脉动幅值在不同工况下没有明显的差异。当泵的运行偏离最佳工况,泵入流中小尺度流动结构对压水室的影响依然存在。并且改变了不同工况下径向力和隔舌压差的脉动特征以及泵内流场的特征。隔舌压差与隔舌上游和下游流动参数的相关性分析表明,当流量达到0.4Qopt时,与隔舌区域压力变化相关的流动进一步扩展至压水室下游的流动区域。5.不同叶轮与隔舌径向间隙对泵压力脉动特性影响叶轮和压水室径向力脉动幅值、隔舌压差脉动幅值以及泵的效率随压水室基圆直径D3的增加而逐渐下降。当叶轮与隔舌间隙2c/D2大于5%,泵效率的下降速度逐渐高于径向力脉动幅值的下降速度。通过改变隔舌径向位置来改变叶轮与隔舌之间间隙,泵和压水室的效率普遍低于通过改变压水室基圆直径D3后的效率值。采用这一方式小幅度减小叶轮与隔舌之间的间隙,可降低叶轮与压水室径向力的脉动幅值。切割与延伸隔舌会使得泵效率下降。按照压水室的流动规律延伸隔舌可有效改善压水室的过通性。而切割隔舌可有效改善压水室在设计工况和大流量工况下的过通性能。
【图文】：

离心泵叶轮,非设计工况,二次流动

图 1.1 非设计工况下离心泵叶轮内部及其周围的二次流动[11]以比转速为 63 的单级单吸离心泵为研究对象，首先对比了直管管路存在 90 度弯管时泵的外特性和压力脉动特性。接着研究了使变叶轮与压水室隔舌之间的间隙时，离心泵的压力脉动特性。着况下，不同入流条件或叶轮与隔舌间隙对泵压力脉动特性的影响性进行了分析。内外研究现状离心泵流体激振的研究现状激励力是引起流体机械振动的主要因素之一，长久以来，流体激械振动的焦点和难点，，同时缺乏一个系统的理论。不同领域的前流体机械的振动问题进行了研究，积累了大量的成果。总体来讲果可以根据研究角度分为以下三类。

示意图,几何模型,弯管,流域

图 2.1 弯管流域几何模型流域几何模型用于第 3 章至第 7 章的研究。以具有螺旋形压水区域为几何模型。根据各章的研究内容几何模型会有所不同。具体改变将会在各章详述。离心泵.1。泵入口距离叶轮约 10mm。为了改善网格的拓水室的圆角进行了简化，且压出段管路简化为矩计图及计算区域示意图如图 2.2。表 2.1 模型泵参数量pt/(m3/h)扬程H/m转速rpm效率/%泵入口直径Dj/mm叶轮口直D2/
【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】