单叶片离心泵非定常流动特性及诱导径向力的数值模拟与实验研究

发布时间：2020-04-10 03:18

【摘要】：单叶片离心泵由一枚大包角叶片包络形成单一流道,具有极佳的无堵塞性能,适用于输送具有长纤维和大颗粒的介质,适用范围极广。然而非轴对称结构的单叶片离心泵叶轮在运行中伴随着强烈的压力脉动,同时水力不平衡引起的径向力很大,影响了泵的运行稳定性,限制了其大范围推广应用。因此,为了改善单叶片离心泵的运行稳定性,本文在国家科技支撑计划项目“高效环保用泵关键技术研究及工程应用”(项目编号2011BAF14B01)、江苏省自然科学基金“高压多级离心泵压力脉动的空间耦合与调控机理研究”(项目编号20150508)、江苏省普通高校研究生科研创新计划资助项目“单流道泵的设计及内部流动特性分析”(项目编号KYLX_1043)等项目的资助下,对单叶片离心泵内部非定常流动特性及诱导水力径向力进行了较为系统的研究。本文的主要研究内容及取得的创新性成果如下:1.基于定常全流场数值模拟分析了单叶片离心泵内流场特性及外特性,搭建单叶片离心泵综合性能实验台,验证了数值模拟的准确性。结果表明,与相同比转速的普通多叶片离心泵相比,单叶片离心泵Q-H为陡降曲线且效率偏低;建立了单叶片离心泵叶轮水力损失模型,揭示了单叶片离心泵效率偏低的主要原因是耗散损失较大,具体表现为单叶片离心泵叶轮流道内存在明显的低速区及流动分离区,且压力呈圆周非对称分布。为改善单叶片离心泵性能,构建了叶片出口安放角、叶片包角与单叶片离心泵外特性的响应关系。结果表明单叶片离心泵扬程、功率、效率均随叶片出口安放角增大而提高,但叶片出口安放角增大至18°后,由于叶轮内流动滑移加剧,变化不再明显;随着叶片包角的增大,泵扬程呈增大趋势并且Q-H曲线变陡,泵的效率也有所提高,但高效区变窄。2.基于非定常数值模拟对比分析了蜗壳对泵内压力脉动,结果表明,螺旋形蜗壳和环形蜗壳内压力脉动的主频均为叶轮转频,而无蜗壳时泵内压力脉动无明显主频特征,其压力脉动强度比有蜗壳时低一个数量级,表明单叶片离心泵内压力脉动的主要原因是叶轮与蜗壳的动静干涉作用。蜗壳内的压力脉动主要受叶轮出口的势流与蜗壳壁面的相互作用。对比不同流量工况下泵内的压力脉动发现,在小流量工况下由于存在严重的流动分离加剧了压力脉动。进一步分析了不同叶片出口安放角、不同叶片包角对压力脉动的影响,表明单叶片离心泵压力脉动随叶片出口安放角的增大而增强,而随叶片包角的增大而减弱。3.采用高频压力脉动传感器分别测量了螺旋形蜗壳壁面和前泵腔的压力脉动。实验结果表明蜗壳内压力脉动从隔舌沿着叶轮旋转方向逐渐减弱,且压力脉动强度在额定流量工况附近最小。与仿真数据对比分析表明,各流量工况下频域图均与数值模拟结果基本一致,主频为叶轮转频,但实验结果在5 f_n范围内也存在较为明显的宽频压力脉动信号,表明泵内存在较强的流动分离。蜗壳压力脉动强度随着转速的降低显著减小,但压力脉动强度并不完全符合转速的相似换算。转速越高动静干涉作用越强,压力脉动周期性越强,在小流量低转速时压力脉动变得更复杂,周期性变弱。前泵腔压力也呈周期性波动,动静干涉作用在前泵腔变弱。数值模拟与实验所得压力脉动结果变化趋势一致,在额定流量工况下数值模拟与实验压力脉动曲线基本重合。4.基于非定常数值模拟对比分析了蜗壳对单叶片离心泵叶轮所受径向力的影响,叶轮所受径向力随叶轮旋转周期波动,采用螺旋形蜗壳时叶轮所受径向力最大,无蜗壳时径向力最小,三个模型叶轮所受径向力随叶轮旋转变化曲线均为畸变圆形,圆心偏离原点。揭示了单叶片离心叶轮径向力产生机理:叶轮所受径向力主要是由叶片工作面与背面的压差所致,叶轮与蜗壳的动静干涉是径向力大小出现周期波动的主要原因。转速对叶轮所受径向力系数影响不大,采用环形蜗壳及无蜗壳时叶轮径向力随着流量增加而增大,而采用螺旋形蜗壳时在叶轮旋转150°-330°范围径向力随流量增加而变大,其它区域在小流量工况下径向力最大。进一步对比分析了不同叶片出口安放角、不同叶片包角、以及叶轮偏心对径向力的影响,表明径向力随叶片出口安放角的增大而增大,而随叶片包角的增大而减小,单叶片离心泵叶轮偏心对径向力影响不如普通离心泵显著。在此基础上首次提出将叶轮旋转中心偏心来平衡叶轮所受径向力,叶轮中心偏心后径向力时均值在额定流量工况下减小了17%,大流量工况下减小了12.5%,小流量工况下减小了6%。同时提出基于ADAMS虚拟样机仿真配重,采用叶轮重心偏心的方法平衡径向力,可有效地平衡叶轮所受径向力,改善单叶片离心泵的运行稳定性。搭建了单叶片离心泵水力诱导径向力测试实验台,首次采用微型测力传感器和霍尔感应器测得了单叶片离心泵水力诱导径向力。两个叶轮水力诱导径向力均随叶轮旋转周期波动,主频为叶轮转频,径向力大小随叶轮旋转变化曲线为偏离中心的畸变圆形,实验结果与数值模拟趋势基本一致。5.搭建了单叶片离心泵振动实验台,采用非接触式电涡流位移传感器测得了水力诱导叶轮口环瞬态位移,通过在蜗壳安装加速度传感器测量了蜗壳的径向振动。实验结果表明叶轮口环瞬态位移轨迹为畸变的椭圆形,在0.2Q_d流量工况下口环位移激增,随着流量的增大口环位移不断减小,但达到额定流量工况后变化不再显著。叶轮口环位移随转速的增加不断增大,最大位移变化规律与径向力随转速变化规律一致。随着流量增大,蜗壳径向振动呈增大趋势。蜗壳的径向振动随转速的增大迅速提高,蜗壳径向振动加速度均方根值近似与转速的平方呈正比。
【图文】：

单叶片,离心泵,结构示意图,保角

1.进口 2.叶轮 3.泵腔 4.蜗壳 5.出口图 2-1 单叶片离心泵结构示意图心泵常用方格网保角变化法进行叶片绘型，但单叶片离心泵叶片包角泵，采用保角变化法绘型复杂耗时。由于单叶片离心泵叶轮仅有一枚一流道，刘厚林等[20,114]提出采用流道式绘型方法，，即通过引导线及流

界面图,叶片绘型,界面

BladeGen叶片绘型界面
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH311

【参考文献】