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离心泵内动态失速涡的数值模拟及其特性研究

发布时间:2020-10-08 20:10
   在某些特定条件下,离心泵常常需要在偏离设计工况下运行。但在小流量工况下叶轮内部会出现许多不稳定流动现象,对离心泵的安全稳定运行造成很大的挑战。旋转失速现象就是一种十分常见的不稳定流动现象,常常会引起扬程正斜率、效率下降等现象,严重时甚至会导致噪声、振动甚至疲劳应力点出现断裂等后果。因探究离心泵内旋转失速现象的发生机制及其特性,设法推迟失速的发生、减小叶道间的失速团,对优化离心泵的水力性能、提高泵的运行稳定性具有举足轻重的意义。本文在对模型泵进行三维建模和网格划分的基础上,采取合适的数值计算方法,对离心泵内部的失速现象进行分析,主要内容包括:(1)采用非定常计算模拟不同工况下的失速现象,观察对比不同工况下叶轮内部所显现出不同的失速特性。在轻度失速工况下叶轮内部的失速类型为“固定失速”,而在深度失速工况下为旋转失速,旋转失速工况下叶轮内部的不稳定流动现象明显加剧,压力脉动增强,叶轮所受径向力方向变化加剧,离心泵效率降低,这些现象会对离心泵的安全稳定运行造成十分严重的危害。(2)通过在进口设置径向和周向两种非均匀来流,探究进口非均匀流对失速的影响。结果表明,进口非均匀来流对离心泵内失速现象的影响十分显著:在两种非均匀来流的作用下,离心泵内的失速类型均转变为了旋转失速。在径向非均匀流的作用下,叶轮进口处出现了局部的回流现象,回流会与主流相互作用,减小进口预旋并改善叶轮内部流动,因此相比之下此时叶轮内的失速团数目有所减少。(3)采用对进口管道壁面刻槽的方式,实现对失速的抑制和消除。对比分析矩形、三角形、弧形三种形状和不同凹槽数目时叶轮内部的失速团分布。对于本文选用的计算模型,当凹槽数目为40时的三角形凹槽对该模型泵内失速的改善效果最佳,并能够有效推迟失速点的出现。
【学位单位】:西安理工大学
【学位级别】:硕士
【学位年份】:2018
【中图分类】:TH311
【部分图文】:

工况,离心泵,失速,冲角


其中,离心泵由于具有较小的体积和重量、较广的运行范围以及较高的效率等特点,得到了最为广泛的应用。鉴于此,为了能够更好地满足社会生产的需要,离心泵正在朝着低能耗、高扬程、无过载、无驼峰等方向发展,因此,如何提高离心泵的性能,提高离心泵的运行稳定性,使离心泵更加安全、可靠的运行,最终提高整个泵行业的技术水平就成为了目前研究的重点。离心泵在非设计工况下运行时,容易在叶轮中呈现出失速现象。失速是指当离心泵进口处叶片冲角增大到一定程度时,翼型升力突然减小,导致叶片表面出现流动分离的现象。当离心泵在最优工况下运行时,叶片进口冲角为 0,此时离心泵内部流动顺畅,一般不会产生流动分离现象(如图 1-1(a)所示)。而当流量减小时,如图 1-1(b),此时流体的轴面速度减小,冲角增大,来流冲向叶片的压力面,从而容易导致叶片在吸力面处出现流动分离,随着分离区的扩张,分离涡会严重阻塞过流通道,形成失速团。失速团的出现会导致通道内部出现严重的淤塞现象,来流只能转而流向临近的叶片通道,使得下一叶片进口处的冲角增大并使上一叶片进口处的冲角减小,从而抑制上一通道中出现失速团并促进下一通道内形成失速团。因此在绝对坐标系下观察,失速团是以小于叶轮转速的速度在叶轮流道中旋转的,因此这种现象被称作“旋转失速”【1】。

轴面图,离心泵,单位


【49-51】,该模型由一个闭式叶轮和一个无叶扩压器构成,其轴截面如图3-1所示。叶轮进口处的直径为103.25mm,出口处直径为278 mm,同时配有5个后弯式叶片,叶片的进口安放角为19°,出口安放角为23°,扩压器出口位置设置了12支均布的直径为21.8mm的出口管道,这样做的目的是减少流道的不对称性对叶轮内部流动所造成的影响。离心泵的比转速为90.9,设计转速为n0= 600 r/min

结构图,叶轮结构,模型泵,通道


° 23叶片高度 b mm 23.0图3-2为离心泵叶轮结构图,其中红色方框区域为PIV测量时相机所对准的位置。由于实验测量的过程中,PIV只能在静止坐标系下进行测量,因此在最终确定失速团频率的时候需要用测得的频率值减去叶轮转频从而得到相对坐标系下失速团的转频。这里以初始时刻相机所对准的通道为通道1(Ch1),并以顺时针方向将5个叶片通道分别命名为通道2(Ch2),通道3(Ch3),通道4(Ch4)和通道5(Ch5)。

【参考文献】

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本文编号:2832701

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