离心泵口环间隙非定常流动机理研究

发布时间：2020-03-31 01:15

【摘要】：离心泵是国民经济建设中用途较广耗能较高的重要设备,深入研究离心泵的内部流动,提高离心泵的性能具有重要的理论意义和实用价值。离心泵口环泄漏流与叶轮进口主流间的干扰,会引起叶轮进口流动结构发生变化,对叶轮入口有序的流动造成干扰,从而对泵内流动状态及泵运行稳定性产生重要影响。因此,深入研究口环间隙流对离心泵内、外特性的影响规律具有重要意义。本文以离心泵口环间隙非定常流动特性为研究对象,采用数值计算、实验研究和理论分析相结合的方法,分析了泵内间隙流动的非定常流动特性,研究了口环泄漏流与叶轮进口主流间的相互作用,获得了口环间隙流对离心泵内部流动及外特性的影响。本文的主要工作和创新成果如下:(1)建立了离心泵口环间隙测试实验平台,通过同步采集测量了离心泵外特性、压力脉动信号及振动信号,获得了口环间隙改变引起的泵外特性变化规律,分析了蜗壳周向压力和泵腔径向压力分布趋势。结果表明,口环间隙的增大,对外特性的影响表现为泵扬程和效率的下降;对内流场影响表现为:蜗壳及泵腔各测点压力不同程度的减小,而压力分布趋势保持不变。蜗壳壁面压力脉动频谱中发现了轴频与叶频信号,其中主频为叶频。振动频谱图中捕捉到轴频及其倍频与叶频及其倍频,发现不同方向壳体振动能量存在一定差异。(2)研究了口环网格节点数对口环间隙内流动参数分布的影响,发现合理的口环网格节点数对获得口环间隙流各流动参数精确分布至关重要。在兼顾数值计算时间和计算精度的前提下,系统研究了非定常数值计算时间步长对离心泵数值计算精度的影响,定量分析了时间步长引起的差异。结合实验验证了数值求解方法的正确性和准确性。(3)研究了离心泵内间隙流动对泵外特性性能的影响,通过对比分析考虑间隙和不考虑间隙离心泵模型的计算结果,揭示了间隙流动引起泵内流场和外特性较大差异的原因,即泵腔、口环等间隙区域内间隙流动引起的泵内流动损失的不同。分析了口环泄漏流与叶轮进口主流之间的相互作用,基本分为碰撞冲击阶段,逆向掺混阶段和同化作用阶段。阐述了间隙流动对叶轮内分离涡的演变及有序变迁规律的影响,结合熵产理论分析了间隙流动引起的流动损失对泵内流动的重要影响,对压力场的影响具体表现为:泵内间隙流动降低了叶轮与蜗壳隔舌间的压力脉动强度,影响了隔舌正对叶轮流道内叶片表面压力分布规律,并引起叶片工作面压力波动。(4)通过开展不同流量工况下离心泵内数值计算,分别研究了泵内主流流动和间隙流动特性,分析了口环泄漏流对叶轮进口主流的影响规律。结合熵产理论分析了泵内流动损失分布特性,确定了泵内流态与能量损失之间的关联。采用能量梯度理论对泵内不稳定流动易发生区进行预判,归纳了叶片做功能力与流量间的关联。间隙流动的研究揭示了泵腔内压力及压力脉动分布规律,发现小流量下压力最高,泵腔进口压力脉动强度较强。获得了口环间隙内详细的流动分布特性,发现进口缩流损失是引起间隙进口流动参数突变的主要原因之一,具体表现为动压和湍动能的骤增,静压的骤减,而总压平缓减小。发现口环间隙压力脉动特性较复杂,仍受叶轮与隔舌间动静干涉影响。总结归纳了流量改变引起的口环泄漏流与主流间的相互作用,整个过程始终存在碰撞、冲击、掺混、同化作用,揭示了泄漏流与主流能量配比的影响关系,发现流量增加引起进口主流能量的增大,不断削弱泄漏流对主流的影响。(5)研究了口环间隙改变引起的泵内、外特性变化规律,通过实验和数值计算验证了口环间隙引起的离心泵外特性变化,发现口环间隙增大时,泵内流动损失增加,引起水力效率和容积效率降低,导致扬程和总效率的减小。分析了叶轮内不同口环间隙时流动差异的原因,即口环间隙改变引起的叶轮进口流量变化,小流量下叶轮内流动存在明显差异。研究了口环间隙内详细的流动分布特性,发现在口环间隙进口处总压下降较大,然后由于叶轮旋转影响,沿间隙流流动方向,总压逐渐上升,达到极大值,随后逐渐下降直至口环间隙出口。当口环间隙增加时,间隙内流体静压减小动压增大,流体总压略增。口环大小改变对间隙内压力脉动强度有轻微影响。总结了口环间隙大小引起叶轮进口流态的变化,发现口环间隙增大,泄漏量增大,流动损失增加,从而扰乱了叶轮进口流态。(6)研究了口环间隙结构对离心泵性能的影响,发现在相同的口环间隙大小和长度下,凹槽形和台阶形口环间隙结构对离心泵外特性的影响近似可忽略,而台阶形口环间隙结构对泵内流动有轻微影响。台阶形口环间隙结构对间隙流动的阻碍作用增强,降低了口环泄漏流对叶轮进口主流造成的干扰。口环间隙结构改变对间隙内压力脉动强度有轻微影响。
【图文】：

非定常流动,离心泵

图 1.1 离心泵内非定常流动[1, 5]大曲率叶片以及高速旋转运动使得叶轮内始终存在多种不稳定流动现象。在小流量工况下，叶轮流道内旋转失速现象是影响离心泵运行稳定性的重要因素之一[15-17]。早在 1970年，Lennemann 等[18]采用实验方法研究了叶轮流道内失速机理，研究发现单个叶轮流道中的失速机制与边界层分离、叶轮和诱导轮二次流的影响，揭示叶轮流道内失速的传播与诱导轮回流有关。Abramian 等[19]通过测量获得了不同流量工况下叶轮内瞬态速度场，在小流量工况下捕捉到清晰的旋转失速现象。随后，Wang 等[20]通过采用数值计算和实验相结合的方法捕捉到小流量工况下叶轮和导叶流道内的旋转失速现象，并认为这可能是泵内流动不稳定特性的主要来源。实验测试中旋转失速现象的捕捉促使广大泵工作者对其起因开展研究。Sinha 等[21-23]通过采用 PIV 技术和压力脉动相结合的方法对泵内旋转失速的发生和发展进行了详细的实验研究，结果表明随着流量的减小，失速团由一个导叶流道扩散到两个导叶流道中。吴玉林等[24]采用 PIV 技术对离心泵内流动结构开展研究。刘厚林等[25]通过对泵内叶轮失速现象测量，发现失速现象主要由叶片工作面流动分离引起的。此外，Lucius

示意图,离心泵,测试系统,示意图

图2.1 为离心泵测试系统示意图，图 2.2 为离心泵测试实物图。本文的实验用泵为 6 叶片闭式叶轮离心泵，额定转速为 2900r/min，，表 2.1 为离心泵具体性能参数和几何参数，实验中离心泵内介质为清水。图 2.1 离心泵测试系统示意图图 2.2 离心泵测试实物图
【学位授予单位】：浙江理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH311

【参考文献】