离心泵空化判定及其流声特性研究

发布时间：2020-08-21 13:43

【摘要】：本文的研究是在国家自然科学基金(51509111、51779106)的资助下开展的。为了满足国家安全战略装备领域快速发展的需求,离心泵作为重要换能设备,正逐渐向高速、高性能的方向发展,而空化是限制其进一步发展的主要瓶颈。由于很多情况下难以避免空化的发生,因此提出可靠的空化判定方法,并掌握离心泵空化诱导不稳定流动和噪声的产生机理及变化规律,不仅能够大幅提高设备运行的效率及可靠性,还能为其他水力机械故障诊断提供理论基础和技术支撑。本文采用理论分析、试验测量验证和仿真计算相结合的方法,围绕离心泵空化信号变化规律、不同空化阶段下流场及声场特性等进行了深入研究,旨在建立高灵敏度、高可靠性的离心泵空化判定方法,掌握空化条件下离心泵非定常流动和噪声变化规律。主要工作和研究成果如下:1.阐述了空化及空蚀产生机理和主要形式,总结了国内外离心泵空化判定的研究现状,并对空化流场和声场数值计算研究方法做了较为全面的概括。2.以一台比转速n_s=117.3离心泵为研究对象,基于可视化闭式试验台,对泵性能参数、空泡分布形态、振动噪声等信号量进行同步采集,并对其变化规律进行研究。对照高速摄影试验结果,基于各信号量变化规律,提出了基于液载噪声、固载振动及气载噪声总级值的空化判定方法。研究表明:基于高速摄影判定空化的灵敏度最高;基于液载噪声、固载振动和气载噪声总级值上升的空化初生判定阈值分别为0.5%、0.5%和0.7%;相比固载振动及气载噪声,基于液载噪声总声压级的空化判定方法灵敏度较高,受环境干扰小。3.在传统空化阶段划分方法的基础上,兼顾各信号量的变化情况与空化发展的关系,提出了更加精细的空化阶段划分方法。以各信号量级值曲线最大值对应空化数分布为依据,兼顾空化发展与能量损耗关系,发现固载振动空化极值点相比液载噪声空化极值点对应空化程度更加严重。以固载振动空化极值点划分了严重空化阶段和过严重空化阶段;以扬程下降3%作为空化临界点划分了空化发展阶段及严重空化阶段;以液载噪声总声压级上升0.5%划分了空化初生和空化发展阶段;以可视空化初生点划分了未空化阶段和空化初生阶段。4.由于高速摄影的限制性较强,为进一步提高基于信号量空化判定方法的灵敏度,通过对比流量系数及空化数的变化对振动噪声频谱的影响,获得了适用于空化判定的频段范围,采用3σ原则确定了振动和噪声的空化阈值。按照空化判定灵敏度顺序,各信号量空化判定频段及阈值依次为:基于液载噪声2000~3000Hz频段宽频声压级上升1%,基于固载振动10~50Hz频段宽频振级上升1%,基于固载振动1000~3000Hz频段宽频振级上升1.1%。5.通过一台比转速n_s=25的超低比转速离心泵进行验证试验,进一步定量分析各信号量随空化发展的变化规律,验证了空化阶段划分的合理性,确定了基于不同信号量总级值空化判定方法的准确性。统计了空化诱导振动噪声信号频谱分布区间,验证了空化判定频段的一致性,证明了信号量各频段空化阈值的可靠性。6.为揭示不同空化阶段泵内部空化形态及流场不稳定流动特性的变化规律,建立了离心泵内部非定常空化流动的数值计算方法,实现了空化流场涡结构分布及非定常力等的仿真计算。研究表明:随空化的发展,空泡生成区位置基本不变,溃灭区向叶轮外缘发展;涡核体积分布逐渐增加;小流量工况下由于进口回流形成的涡生空化,导致叶轮各叶片空泡分布不均匀;压力脉动幅值随空化的发展明显增加,主频逐渐由叶频变为轴频,高频脉动分量减小;叶轮径向力随空化的发展逐渐降低。7.构建了一种空化诱导噪声计算模型,针对液载噪声,分别基于边界元法和Proudman半经验模型法对不同空化阶段远场和近场噪声分布进行计算;针对气载噪声,建立了不同声源作用下的流动噪声和流激噪声分析模型,分析了不同性质噪声源不同空化阶段的声压分布情况及贡献量。研究表明:空化的发展使流体湍动能及其耗散率增加,液载噪声近场声功率增大;远场噪声在固定声源作用下,特征频率处声压级随空化数的减小先减小后增加;扇声源作用下,特征频率处声压级随空化数的减小而减小;不同声源声压指向性分布不同,相同声源流动噪声和流激噪声声压指向性分布不同。固定声源作用下的流激噪声对气载噪声的贡献量最大。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH311
【图文】：

压力平衡,气泡,气核

图 1-1 气泡内外压力平衡内外压力的平衡状态。假设存在一P。在平衡状态下，由于受到液体表rPP2'va ，对于常温下清水而言，取σ'=0.kPa。由此看来，若使气泡生长，液不符的原因有很多解释。一种观点表面的张力会起到减小压力的作用一种观点认为：气核被有机薄膜所中液体介质不是纯净的，液体中的。由于气核的存在使得式（1-1）的

空化现象,空化,气核

江苏大学硕士学位论文力法[8]和激光散射法[9]均证实了气核的存在，进一步印证了气核是空化产生的主要影响因素。工程上认为液体压力降低到液体在该温度下饱和蒸气压时开始空化，而在水力机械中由于空化的物理特性不同，空化的种类也有不同。1.2.1.2 空化的主要形式根据空化的物理特性，可以将空化的主要形式分为游移空泡、附着空化及旋涡空化等几种形式[10-11]，如图 1-2 所示。

空蚀破坏,叶轮叶片

离心泵空化判定及流声特性研究）在任何液体（包括惰性的、金属性的）的一定动力蚀破坏。国内外学者对于空蚀机理进行了大量的理论可归纳为：化学腐蚀、电化学腐蚀、热力学影响、机械是目前学术界较为认可的主要空蚀原因。他们认为和冲击波的强大冲击作用是过流部件产生空蚀的出，空泡溃灭时近壁处的微射流脉冲速度最高可达压力最高可达 58.2GPa；固体表面受到微射流冲击）。虽然微射流的作用时间仅有几微秒，然而高速高体表面形成空蚀，低强度的反复冲击作用则会引起固空蚀破坏的叶轮叶片。

【参考文献】