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)濟領域有著廣泛的應用前景。通常情況，超低比速泵的運行工況基本穩(wěn)定，隨著超低比速泵的應用領域不斷拓展，超低比速泵除了在穩(wěn)態(tài)工況下運行之外，還需短時間在各種各樣的瞬態(tài)工況下運行，如戰(zhàn)機短距離起降、大角度爬升、運載火箭發(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

2、行時會表現(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系統(tǒng)的安全及可靠性造成嚴重影響。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術價值。
　　本文以一臺超低比速泵為研究對象，重點對超低比速泵的關閥啟動過程進行CFD數(shù)值計算與試驗測試研究，并對比分析了穩(wěn)態(tài)過程與瞬態(tài)過程內(nèi)流機理與外部特性的差異，最后對進口降壓過程進行了試驗測試研究，以期進一步揭示超低比轉(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、蝸殼和吸水室進行了水力設計。
　　2、采用CFD數(shù)值計算方法，對模型泵在不同流量工況下的穩(wěn)態(tài)過程進行三維非定常數(shù)值計算，基于數(shù)值模擬結(jié)果對模型泵的能量特性進行預測，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臺，對模型泵

5、的能量特性、關死點處轉(zhuǎn)速-揚程、空化特性、關閥啟動過程和進口快速降壓過程的瞬態(tài)特性進行試驗測試。結(jié)果表明：（1）不同啟動加速度下，模型泵關閥啟動過程中電機轉(zhuǎn)速隨著時間呈線性增加趨勢，隨著啟動過程的結(jié)束，電機轉(zhuǎn)速均達到最大值。（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程，并且隨著啟動加速度的減小，沖擊揚程有所降低。（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，超低比速泵進口壓力快速降低過程會誘導空化發(fā)生的進程，導致空化發(fā)生的臨界點提前。
　　4、對超低比速泵在關死點工況進行穩(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)揚程進行預測，對啟動時間為2s的關閥啟動過程內(nèi)部流場進行分析并與不同轉(zhuǎn)速下關死點處穩(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)一個沖擊揚程，隨著啟動加速度的增大，這個沖擊揚程也逐漸增大，啟動過程瞬態(tài)沖擊揚程的模擬值與試驗值的偏差均在5％以內(nèi)。（2）同一時刻，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口管路軸截面速度流線分布與關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，同一時刻，關閥啟動過程內(nèi)部瞬態(tài)流場的發(fā)展總體上滯后于關死點處穩(wěn)態(tài)