離心泵內(nèi)不穩(wěn)定流動(dòng)及振動(dòng)特性研究.pdf

1、高速高壓和大功率是車載消防離心泵的發(fā)展趨勢，向大功率發(fā)展就要求離心泵必須具有良好的工作穩(wěn)定性和可靠性。離心泵內(nèi)壓力分布和流動(dòng)狀態(tài)會(huì)直接影響泵的性能穩(wěn)定性；同時(shí)，泵內(nèi)不穩(wěn)定流動(dòng)引起的壓力脈動(dòng)、瞬態(tài)流體激振力，則會(huì)影響離心泵振動(dòng)穩(wěn)定性。因此，離心泵內(nèi)不穩(wěn)定流動(dòng)特性、振動(dòng)特性以及不穩(wěn)定流動(dòng)對振動(dòng)作用規(guī)律的研究極為重要。同時(shí)，輸送介質(zhì)的不同，離心泵配備不同的葉輪結(jié)構(gòu)。最常見的葉輪結(jié)果形式為閉式葉輪，而在輸送含有雜質(zhì)的消防介質(zhì)時(shí)則會(huì)采用半開式和開

2、式葉輪。因此開展不同葉輪結(jié)構(gòu)形式對離心泵運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性的影響研究也十分重要。針對上述問題，本文通過外特性試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)壓力試驗(yàn)和振動(dòng)試驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合數(shù)值計(jì)算和熵產(chǎn)理論，對三種典型葉輪（閉式、半開式、開式）模型離心泵的性能穩(wěn)定性、振動(dòng)穩(wěn)定性以及泵內(nèi)不穩(wěn)定流動(dòng)對振動(dòng)的作用規(guī)律進(jìn)行研究。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴離心泵運(yùn)行穩(wěn)定性的影響規(guī)律研究。為揭示離心泵內(nèi)葉輪結(jié)構(gòu)形式及流量工況對其運(yùn)行穩(wěn)定性的影響規(guī)律，對三種典型葉輪結(jié)構(gòu)模型泵進(jìn)行外特

3、性試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)壓力試驗(yàn)及振動(dòng)試驗(yàn)研究。在離心泵性能穩(wěn)定性試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，三種葉輪在輸送清水介質(zhì)時(shí)，閉式葉輪的性能穩(wěn)定性最好，而開式葉輪性能穩(wěn)定性最差，尤其在大流量工況。小流量時(shí)隔舌區(qū)和泵出口壓力脈動(dòng)對泵運(yùn)行穩(wěn)定性均有較大影響，隨著流量的增加，隔舌區(qū)的影響程度下降，而泵出口處的影響程度逐步遞增。通過離心泵振動(dòng)穩(wěn)定性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，閉式葉輪振動(dòng)穩(wěn)定性最好，開式葉輪振動(dòng)穩(wěn)定性最差。葉頻處的壓力脈動(dòng)對泵殼體振動(dòng)穩(wěn)定性影響大，軸頻處的壓力脈動(dòng)是影響泵轉(zhuǎn)子

4、振動(dòng)穩(wěn)定性的主要因素；流量變化對轉(zhuǎn)子振動(dòng)穩(wěn)定性正相關(guān)，即隨著流量的增加，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動(dòng)加強(qiáng)，流量變化對泵殼體振動(dòng)穩(wěn)定性的影響則正好相反。⑵離心泵內(nèi)不穩(wěn)定流動(dòng)特性及內(nèi)部流動(dòng)損失研究。為研究葉輪結(jié)構(gòu)形式及流量工況對模型泵內(nèi)不穩(wěn)定流動(dòng)結(jié)構(gòu)、流動(dòng)損失的影響規(guī)律，本文結(jié)合數(shù)值計(jì)算和熵產(chǎn)理論，研究三種典型葉輪結(jié)構(gòu)及不同流量工況時(shí)模型泵內(nèi)部熵產(chǎn)大小和位置。研究發(fā)現(xiàn)，閉式葉輪離心泵不穩(wěn)定流動(dòng)結(jié)構(gòu)和流動(dòng)損失集中口環(huán)間隙附近及葉輪流道與平衡孔交界處；半開式葉

5、輪離心泵流道內(nèi)不穩(wěn)定流動(dòng)結(jié)構(gòu)和流動(dòng)損失主要集中在葉輪流道內(nèi)靠近葉頂間隙處；開式葉輪離心泵中，流道內(nèi)不穩(wěn)定流動(dòng)結(jié)構(gòu)和流動(dòng)損失主要集中在葉片流道的中后部區(qū)域。閉式葉輪離心泵中口環(huán)間隙處流動(dòng)損失較大，且隨著流量的增加流動(dòng)損失變大。小流量時(shí)，閉式葉輪流道出口隔舌區(qū)流動(dòng)損失最大，隨著流量增加流動(dòng)狀態(tài)改善，流動(dòng)損失降低；大流量時(shí)泵出口隔舌區(qū)流動(dòng)損失陡增。⑶流固耦合作用下模型泵動(dòng)力學(xué)特性研究。為研究葉輪結(jié)構(gòu)形式及流量工況對模型泵結(jié)構(gòu)場動(dòng)力學(xué)特性影響，

6、基于全流場數(shù)值計(jì)算對模型泵進(jìn)行流固耦合求解，研究三種典型葉輪結(jié)構(gòu)及不同流量工況下模型泵瞬態(tài)徑向力、等效應(yīng)力以及振動(dòng)特性。研究發(fā)現(xiàn)，閉式葉輪徑向力和等效應(yīng)力最大，且等效應(yīng)力集中在口環(huán)處，但是葉輪振動(dòng)速度最??；半開式葉輪等效應(yīng)力集中在葉片前緣和尾緣處；開式葉輪徑向力最小，等效應(yīng)力集中在葉片前緣、尾緣以及葉片中間位置。雖然閉式葉輪徑向力及等效應(yīng)力最大，但其振動(dòng)最小，由此說明閉式葉輪具有的前后蓋板對泵的振動(dòng)起到了一定的抑制作用。各流量工況下，蝸

7、殼徑向力均大于葉輪徑向力，蝸殼徑向力對流量變化更為敏感，其波動(dòng)程度更劇烈。模型泵葉輪及蝸殼所受徑向力大小及波動(dòng)在設(shè)計(jì)流量時(shí)較小，但偏離設(shè)計(jì)工況時(shí)增大，并在小流量最大。⑷離心泵內(nèi)不穩(wěn)定流動(dòng)對泵振動(dòng)影響規(guī)律研究。為進(jìn)一步研究泵內(nèi)壓力脈動(dòng)、瞬態(tài)徑向力與振動(dòng)特性之間的關(guān)聯(lián)，同時(shí)研究工況變化對泵振動(dòng)和流動(dòng)損失的影響規(guī)律。對偏離工況時(shí)閉式葉輪模型泵內(nèi)不穩(wěn)定流動(dòng)規(guī)律以及次流動(dòng)區(qū)域壓力脈動(dòng)對泵動(dòng)力學(xué)特性的影響進(jìn)行研究。研究發(fā)現(xiàn)，小流量時(shí)，蝸殼隔舌區(qū)流動(dòng)

8、損失最大，且受到葉片與隔舌動(dòng)靜干涉作用呈現(xiàn)以葉頻為主頻的脈動(dòng)特性；大流量時(shí)，蝸殼出口流動(dòng)損失最大，但對動(dòng)靜干涉不敏感，泵內(nèi)不穩(wěn)定流動(dòng)脈動(dòng)以軸頻為主頻。葉輪口環(huán)間隙處的壓力脈動(dòng)與葉輪徑向力和葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動(dòng)成正相關(guān)，口環(huán)間隙內(nèi)不穩(wěn)定流動(dòng)在一定程度上決定了徑向力及葉輪振動(dòng)的變化趨勢。小流量工況時(shí)，蝸殼隔舌區(qū)的壓力脈動(dòng)主導(dǎo)了徑向力及低頻段振動(dòng)加速度變化，隨著流量的增加隔舌區(qū)對徑向力和振動(dòng)加速度的影響逐漸減小，而泵出口處低壓區(qū)內(nèi)的不穩(wěn)定流動(dòng)對徑