超低比轉(zhuǎn)速離心泵瞬態(tài)過程特性研究.pdf

1、超低比轉(zhuǎn)速離心泵（以下稱超低比速泵）的比轉(zhuǎn)速ns≤30，因其小流量、高揚(yáng)程的特性，在航空航天、農(nóng)業(yè)灌溉、城市供水和石油化工等國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。通常情況，超低比速泵的運(yùn)行工況基本穩(wěn)定，隨著超低比速泵的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，超低比速泵除了在穩(wěn)態(tài)工況下運(yùn)行之外，還需短時(shí)間在各種各樣的瞬態(tài)工況下運(yùn)行，如戰(zhàn)機(jī)短距離起降、大角度爬升、運(yùn)載火箭發(fā)射和脫離過程，這些過程中往往伴隨著轉(zhuǎn)速、流量和壓力等參數(shù)的劇烈變化。超低比速泵在瞬態(tài)操作條件下運(yùn)

2、行時(shí)會表現(xiàn)出區(qū)別于穩(wěn)態(tài)工況的瞬態(tài)特性，這會給泵本身乃至整機(jī)系統(tǒng)的安全及可靠性造成嚴(yán)重影響。因此對超低比速泵瞬態(tài)過程中的特性研究具有重要的工程意義和學(xué)術(shù)價(jià)值。
　　本文以一臺超低比速泵為研究對象，重點(diǎn)對超低比速泵的關(guān)閥啟動過程進(jìn)行CFD數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)測試研究，并對比分析了穩(wěn)態(tài)過程與瞬態(tài)過程內(nèi)流機(jī)理與外部特性的差異，最后對進(jìn)口降壓過程進(jìn)行了試驗(yàn)測試研究，以期進(jìn)一步揭示超低比轉(zhuǎn)速泵的瞬態(tài)特性。本文的主要工作和研究成果有：
　　1、

3、較為系統(tǒng)地總結(jié)了超低比速泵的研究現(xiàn)狀與國內(nèi)外離心泵瞬態(tài)過程特性研究的發(fā)展歷程，基于速度系數(shù)法和加大流量法對一臺比轉(zhuǎn)速ns=25的超低比速泵的葉輪、蝸殼和吸水室進(jìn)行了水力設(shè)計(jì)。
　　2、采用CFD數(shù)值計(jì)算方法，對模型泵在不同流量工況下的穩(wěn)態(tài)過程進(jìn)行三維非定常數(shù)值計(jì)算，基于數(shù)值模擬結(jié)果對模型泵的能量特性進(jìn)行預(yù)測，并對不同工況下模型泵內(nèi)部流場、葉輪上的徑向力和蝸殼各斷面的壓力脈動進(jìn)行分析。結(jié)果表明：（1）隨著流量的增加，作用在葉輪上的徑

4、向力幅值逐漸減小，徑向力脈動的主要激勵頻率均為葉頻及其整數(shù)倍頻，表明葉輪與泵體的動靜干涉是徑向力脈動的主要影響因素。（2）蝸殼各斷面內(nèi)壓力脈動幅值沿流動方向逐漸減小，蝸殼各斷面內(nèi)壓力脈動的主要激勵頻率均為葉頻及其整數(shù)倍頻，表明葉輪出口與蝸殼的耦合作用是蝸殼內(nèi)壓力脈動的主要影響因素。（3）小流量工況下，葉輪流道內(nèi)流動紊亂，出現(xiàn)大面積漩渦，隨著流量的增加，葉輪流道內(nèi)的流場分布逐漸均勻。
　　3、搭建了超低比速泵性能測試試驗(yàn)臺，對模型泵

5、的能量特性、關(guān)死點(diǎn)處轉(zhuǎn)速-揚(yáng)程、空化特性、關(guān)閥啟動過程和進(jìn)口快速降壓過程的瞬態(tài)特性進(jìn)行試驗(yàn)測試。結(jié)果表明：（1）不同啟動加速度下，模型泵關(guān)閥啟動過程中電機(jī)轉(zhuǎn)速隨著時(shí)間呈線性增加趨勢，隨著啟動過程的結(jié)束，電機(jī)轉(zhuǎn)速均達(dá)到最大值。（2）不同啟動加速度下，在加速過程的末期都出現(xiàn)了較為明顯的沖擊揚(yáng)程，并且隨著啟動加速度的減小，沖擊揚(yáng)程有所降低。（3）啟動過程中泵出口X、Y和Z向振動加速度的主要激勵頻率均為軸頻及其整數(shù)倍頻，Y向的振動加速度幅值最大

6、，Z向最小，隨著啟動加速度的增大，主要激勵頻率處的加速度幅值也增大。（4）泵進(jìn)口快速降壓過程和穩(wěn)態(tài)未空化過程相比，在4000Hz～6000Hz處出現(xiàn)了高頻的寬頻振動，超低比速泵進(jìn)口壓力快速降低過程會誘導(dǎo)空化發(fā)生的進(jìn)程，導(dǎo)致空化發(fā)生的臨界點(diǎn)提前。
　　4、對超低比速泵在關(guān)死點(diǎn)工況進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)過程的CFD數(shù)值模擬，對不同啟動加速度下啟動過程的瞬態(tài)揚(yáng)程進(jìn)行預(yù)測，對啟動時(shí)間為2s的關(guān)閥啟動過程內(nèi)部流場進(jìn)行分析并與不同轉(zhuǎn)速下關(guān)死點(diǎn)處穩(wěn)態(tài)過

7、程的內(nèi)流場對比。結(jié)果表明：（1）3種不同啟動加速度下啟動過程的末期均出現(xiàn)一個沖擊揚(yáng)程，隨著啟動加速度的增大，這個沖擊揚(yáng)程也逐漸增大，啟動過程瞬態(tài)沖擊揚(yáng)程的模擬值與試驗(yàn)值的偏差均在5％以內(nèi)。（2）同一時(shí)刻，穩(wěn)態(tài)過程泵中間截面的靜壓分布、絕對速度流線分布和相對速度流線分布以及進(jìn)口管路軸截面速度流線分布與關(guān)閥啟動過程中的分布趨勢有差異。隨著啟動過程中轉(zhuǎn)速的增加，這個差異逐漸縮小，同一時(shí)刻，關(guān)閥啟動過程內(nèi)部瞬態(tài)流場的發(fā)展總體上滯后于關(guān)死點(diǎn)處穩(wěn)態(tài)