超低比转速离心泵瞬态过程特性研究

发布时间：2017-03-25 09:07

  本文关键词：超低比转速离心泵瞬态过程特性研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：超低比转速离心泵(以下称超低比速泵)的比转速ns≤30,因其小流量、高扬程的特性,在航空航天、农业灌溉、城市供水和石油化工等国民经济领域有着广泛的应用前景。通常情况,超低比速泵的运行工况基本稳定,随着超低比速泵的应用领域不断拓展,超低比速泵除了在稳态工况下运行之外,还需短时间在各种各样的瞬态工况下运行,如战机短距离起降、大角度爬升、运载火箭发射和脱离过程,这些过程中往往伴随着转速、流量和压力等参数的剧烈变化。超低比速泵在瞬态操作条件下运行时会表现出区别于稳态工况的瞬态特性,这会给泵本身乃至整机系统的安全及可靠性造成严重影响。因此对超低比速泵瞬态过程中的特性研究具有重要的工程意义和学术价值。本文以一台超低比速泵为研究对象,重点对超低比速泵的关阀启动过程进行CFD数值计算与试验测试研究,并对比分析了稳态过程与瞬态过程内流机理与外部特性的差异,最后对进口降压过程进行了试验测试研究,以期进一步揭示超低比转速泵的瞬态特性。本文的主要工作和研究成果有:1、较为系统地总结了超低比速泵的研究现状与国内外离心泵瞬态过程特性研究的发展历程,基于速度系数法和加大流量法对一台比转速ns=25的超低比速泵的叶轮、蜗壳和吸水室进行了水力设计。2、采用CFD数值计算方法,对模型泵在不同流量工况下的稳态过程进行三维非定常数值计算,基于数值模拟结果对模型泵的能量特性进行预测,并对不同工况下模型泵内部流场、叶轮上的径向力和蜗壳各断面的压力脉动进行分析。结果表明:(1)随着流量的增加,作用在叶轮上的径向力幅值逐渐减小,径向力脉动的主要激励频率均为叶频及其整数倍频,表明叶轮与泵体的动静干涉是径向力脉动的主要影响因素。(2)蜗壳各断面内压力脉动幅值沿流动方向逐渐减小,蜗壳各断面内压力脉动的主要激励频率均为叶频及其整数倍频,表明叶轮出口与蜗壳的耦合作用是蜗壳内压力脉动的主要影响因素。(3)小流量工况下,叶轮流道内流动紊乱,出现大面积漩涡,随着流量的增加,叶轮流道内的流场分布逐渐均匀。3、搭建了超低比速泵性能测试试验台,对模型泵的能量特性、关死点处转速-扬程、空化特性、关阀启动过程和进口快速降压过程的瞬态特性进行试验测试。结果表明:(1)不同启动加速度下,模型泵关阀启动过程中电机转速随着时间呈线性增加趋势,随着启动过程的结束,电机转速均达到最大值。(2)不同启动加速度下,在加速过程的末期都出现了较为明显的冲击扬程,并且随着启动加速度的减小,冲击扬程有所降低。(3)启动过程中泵出口X、Y和Z向振动加速度的主要激励频率均为轴频及其整数倍频,Y向的振动加速度幅值最大,Z向最小,随着启动加速度的增大,主要激励频率处的加速度幅值也增大。(4)泵进口快速降压过程和稳态未空化过程相比,在4000Hz~6000Hz处出现了高频的宽频振动,超低比速泵进口压力快速降低过程会诱导空化发生的进程,导致空化发生的临界点提前。4、对超低比速泵在关死点工况进行稳态和瞬态过程的CFD数值模拟,对不同启动加速度下启动过程的瞬态扬程进行预测,对启动时间为2s的关阀启动过程内部流场进行分析并与不同转速下关死点处稳态过程的内流场对比。结果表明:(1)3种不同启动加速度下启动过程的末期均出现一个冲击扬程,随着启动加速度的增大,这个冲击扬程也逐渐增大,启动过程瞬态冲击扬程的模拟值与试验值的偏差均在5%以内。(2)同一时刻,稳态过程泵中间截面的静压分布、绝对速度流线分布和相对速度流线分布以及进口管路轴截面速度流线分布与关阀启动过程中的分布趋势有差异。随着启动过程中转速的增加,这个差异逐渐缩小,同一时刻,关阀启动过程内部瞬态流场的发展总体上滞后于关死点处稳态过程内部流场。
【关键词】：超低比转速离心泵 水力设计 数值模拟 瞬态特性 试验测试
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH311
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-18
• 1.1 研究背景和意义12-13
• 1.2 国内外研究现状13-17
• 1.2.1 超低比速泵研究现状13-14
• 1.2.2 离心泵瞬态过程研究现状14-17
• 1.3 本文主要研究内容17-18
• 第二章 超低比转速离心泵水力设计18-25
• 2.1 超低比速离心泵叶轮的水力设计18-21
• 2.1.1 基本参数的确定18-19
• 2.1.2 叶轮轴面尺寸的确定19
• 2.1.3 叶片出口安放角的确定19-20
• 2.1.4 叶片包角的确定20
• 2.1.5 叶片数的确定20
• 2.1.6 叶轮水力图20-21
• 2.2 吸水室设计21-22
• 2.2.1 吸水室结构形状21
• 2.2.2 吸水室几何尺寸的确定21
• 2.2.3 吸水室内置隔板参数设计21
• 2.2.4 吸水室水力图21-22
• 2.3 超低比速离心泵蜗壳的水力设计22-24
• 2.3.1 蜗壳的排出方式22
• 2.3.2 蜗壳的设计和绘型22-23
• 2.3.3 蜗壳水力图23-24
• 2.4 本章小结24-25
• 第三章 超低比转速离心泵数值模拟25-38
• 3.1 数值模拟理论基础25-28
• 3.1.1 控制方程25-26
• 3.1.2 湍流模型介绍26-28
• 3.2 几何模型建立和网格划分28-30
• 3.2.1 计算域三维造型28
• 3.2.2 网格划分及网格相关性验证28-30
• 3.3 CFX流体计算方法30
• 3.3.1 交界面设置30
• 3.3.2 湍流模型30
• 3.3.3 边界条件30
• 3.4 数值计算结果分析30-37
• 3.4.1 能量特性计算结果与分析30-31
• 3.4.2 内流场结果与分析31-33
• 3.4.3 径向力结果对比分析33-35
• 3.4.4 压力脉动结果对比分析35-37
• 3.5 本章小结37-38
• 第四章 超低比转速离心泵瞬态特性试验测试38-56
• 4.1 试验对象38
• 4.2 超低比转速离心泵瞬态特性测试试验台38-39
• 4.3 试验参数的测量与采集39-42
• 4.3.1 稳态试验测量装置39-40
• 4.3.2 瞬态试验测量装置40-42
• 4.3.3 传感器测点布置42
• 4.4 试验内容及试验步骤42-44
• 4.4.1 试验内容42-43
• 4.4.2 试验步骤43-44
• 4.5 试验结果与分析44-54
• 4.5.1 能量性能结果与分析44-45
• 4.5.2 关死点工况稳态试验结果45-46
• 4.5.3 关阀启动过程试验结果46-52
• 4.5.4 空化性能试验结果52
• 4.5.5 进口快速降压试验结果52-54
• 4.6 本章小结54-56
• 第五章 超低比转速离心泵关阀启动瞬态特性数值模拟56-69
• 5.1 几何模型建立和网格划分56-57
• 5.2 CFX数值计算方法57-58
• 5.2.1 时间步长57
• 5.2.2 关死点流量57
• 5.2.3 电机瞬时转速57-58
• 5.3 关死点工况稳态过程与关阀启动过程结果对比分析58-68
• 5.3.1 扬程计算结果对比分析58-60
• 5.3.2 内部流场结果对比与分析60-67
• 5.3.3 轴向力计算结果对比分析67-68
• 5.4 本章小结68-69
• 第六章 总结与展望69-71
• 6.1 本文主要工作总结69-70
• 6.2 研究展望70-71
• 参考文献71-76
• 致谢76-77
• 作者在攻读硕士学位期间取得的科研成果77
• 一、参加科研项目77
• 二、发表论文及专利77
• 三、已获奖项及成果77

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