长轴泵的空间导叶内部流动及结构动力特性研究

发布时间：2017-09-01 06:34

  本文关键词：长轴泵的空间导叶内部流动及结构动力特性研究

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【摘要】：长轴泵多用于径向尺寸受限制的空间,故常采用空间导叶代替径向式蜗壳。空间导叶虽然减小了径向尺寸,但其使径向方向的流体变为轴向流出,导叶流道中流体的流动更为复杂。目前,对长轴泵空间导叶内部流动特性的研究还较少,特别以集合数字化软件对长轴泵进行设计,并通过计算流体力学方法来研究长轴泵空间导叶内部流场特性。研究结果对长轴泵的快速设计与空间导叶的优化设计具有重要意义。本文以某长轴泵为研究对象,通过CFturbo数字化软件对长轴泵进行快速、高效的设计,并对设计模型进行数值模拟,研究其流场分布与结构动力特性。利用CFturbo软件改变空间导叶参数,研究不同空间导叶参数的流场特性及对长轴泵性能的影响。同时,对长轴泵结构域进行计算。本文主要研究内容和结论有:1.应用数字化软件CFturbo对长轴泵叶片和导叶进行水力设计,确定其主要参数,并使用UG软件对长轴泵进行三维造型。通过ANSYS-CFX对长轴泵进行数值模拟,验证数字化软件设计的可行与高效。2.通过数值模拟,对叶轮与导叶之间无叶区距离、导叶进口安放角、导叶叶片数进行了流场特性的研究,并分析这些参数对长轴泵性能的影响。叶轮与导叶之间无叶区距离在0.3b2~0.6b2比较适合。取值过小,则导叶进口冲击明显,且在大流量下轴功率较高;取值过大,无叶区流道过长,造成长轴泵整体性能的下降。导叶进口安放角取值在15°~30°较合适。取较小值时,长轴泵高效点往小流量工况偏移,取较大值则往大流量工况偏移。进口冲角为正时,长轴泵在大流量工况下流场分布较好,且脱流多产生在低压侧。导叶叶片对流体起控制作用,过少则对流体控制不足,造成泵整体性能下降;过多则会因为排挤的增加使流体速度增大,导叶将动能转化为压能的能力降低。3.基于流固耦合技术分别对不同工况下流体载荷对叶轮,泵轴和空间导叶三个结构所受到的应力分布以及结构变形进行了计算和分析。结果表明:流体荷载对叶轮受力及变形起主要作用;因为使用空间导叶,所以受力和变形分布较平均。叶轮变形随着半径的增加而增加,在叶轮出口与前盖板交接处最大。空间导叶进口边应力较为集中,不同工况下变形情况较为一致。轴上应力分布均匀,没有出现应力集中的现象,设计工况下强度满足要求。4.通过模态分析研究长轴泵转动结构动力特性。分析得出:长轴泵转动结构的振动频率属自有属性,离心力和水压力对长轴泵转动结构的振动频率和振型影响较小,且转动结构固有频率与轴频、叶频发生共振的概率较小。
【关键词】：长轴泵 空间导叶 数值模拟 导叶进口安放角 流固耦合 模态分析
【学位授予单位】：西华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH311
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-16
• 1.1 课题来源10
• 1.2 研究背景、目的和意义10-11
• 1.3 国内外研究现状11-14
• 1.3.1 空间导叶的研究11-13
• 1.3.2 流固耦合的研究13-14
• 1.4 本文主要研究内容14-16
• 2 长轴泵数字化水力设计及三维建模16-23
• 2.1 叶轮的水力设计16-18
• 2.2 空间导叶的水力设计18-20
• 2.3 长轴泵叶轮与空间导叶的三维建模20-22
• 2.4 本章小结22-23
• 3 长轴泵内部流场的数值计算23-36
• 3.1 数值计算理论基础23-27
• 3.1.1 计算流体力学简介23
• 3.1.2 流动控制方程23-25
• 3.1.3 湍流模型25-27
• 3.2 计算模型网格的划分27-29
• 3.2.1 非结构化网格技术27-28
• 3.2.2 长轴泵流体域的网格划分28-29
• 3.3 数值计算的条件设置29-30
• 3.3.1 边界条件29-30
• 3.3.2 交接面设置30
• 3.4 网格无关性检验30-31
• 3.5 计算结果分析31-35
• 3.6 本章小结35-36
• 4 空间导叶参数对长轴泵性能的影响分析36-53
• 4.1 叶轮与导叶间无叶区距离对长轴泵性能的影响36-42
• 4.1.1 外特性分析36-38
• 4.1.2 内部流场分析38-42
• 4.2 导叶进口角对长轴泵性能的影响42-48
• 4.2.1 外特性分析42-44
• 4.2.2 内部流场分析44-48
• 4.3 导叶叶片数对长轴泵性能的影响48-51
• 4.3.1 外特性分析48-49
• 4.3.2 内部流场分析49-51
• 4.4 本章小结51-53
• 5 长轴泵结构强度分析53-62
• 5.1 静力结构分析基础53
• 5.2 有限元分析的预定义53-57
• 5.3 计算结果及分析57-61
• 5.3.1 叶轮与轴的应力分布及变形分析57-60
• 5.3.2 空间导叶的应力分布及变形分析60-61
• 5.4 本章小结61-62
• 6 模态分析62-69
• 6.1 模态分析基础62
• 6.2 转动部件的模态分析62-68
• 6.2.1 离心力下转动部件的模态分析62-65
• 6.2.2 水压力下转动部件的模态分析65-68
• 6.3 本章小结68-69
• 7 结论与展望69-71
• 7.1 结论69-70
• 7.2 展望70-71
• 参考文献71-75
• 攻读硕士学位期间发表论文及科研成果75-76
• 致谢76-77

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