離心泵流體激振計算分析及控制策略.pdf

1、本文以比轉(zhuǎn)速為63的單級單吸離心泵為研究對象，通過理論分析與數(shù)值模擬，研究了泵的上游管路存在90度彎管時，不同轉(zhuǎn)速和流量下泵的外特性、壓力脈動特性和內(nèi)部流場的特征。研究了采用不同方式改變?nèi)~輪與隔舌之間間隙對泵內(nèi)外特性和壓力脈動特性的影響。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴以90度彎管及其上游和下游管路的流動區(qū)域為研究對象，研究不同入流速度、不同管路直徑和不同彎管中心線半徑下90度彎管下游管路內(nèi)流體非定常特性的特征。結(jié)果表明：高雷諾數(shù)下，

2、彎管內(nèi)發(fā)生邊界層分離是影響彎管下游流動狀態(tài)的主要因素。分離點后生成的大尺度擬序結(jié)構(gòu)主宰當(dāng)?shù)氐牧鲃訝顟B(tài)并沿下游方向傳播、消散。分離點的位置不隨入流速度和管路直徑而發(fā)生明顯改變。入流速度和彎管曲率影響著彎管下游管路內(nèi)部的流動特征和壁面壓力波動特性。小曲率90度彎管下游管路的壓力波動明顯低于大曲率彎管。⑵對比分析了泵在最佳工況運行時，直管入流和彎管入流條件下泵外特性、壓力脈動特性和流場特征的差異。分析了當(dāng)彎管距離葉輪的距離不同時，入流管路的流

3、動特征和泵外特性的差異以及泵內(nèi)部流動特征的變化。結(jié)果表明：葉輪和彎管下游的流動相互影響。例如，當(dāng)彎管距泵入口距離L等于0時，彎管小半徑處流動區(qū)域的邊界層分離受到了抑制。彎管入流時泵的揚程和效率高于直管入流時的狀態(tài)，其中揚程最高提升了2%，效率最高提升了1.2個百分點。彎管與葉輪的距離不同，泵不均勻入流的流動特征不同。彎管入流不會對壓水室和葉輪徑向力的均值產(chǎn)生明顯的影響，但是壓水室徑向力脈動幅值則隨彎管與葉輪的距離不同而改變。彎管距泵入口

4、距離L等于3倍泵入口直徑時壓水室徑向力脈動幅值為直管入流時的82%。⑶研究了直管入流時不同轉(zhuǎn)速和流量下泵的壓力脈動特性。首先將外特性的數(shù)值模擬結(jié)果與實驗進(jìn)行了比對，并分析了數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果產(chǎn)生差異的因素。然后對徑向力特性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：葉輪和壓水室徑向力的的無量綱化值隨流量系數(shù)近似呈線性變化。葉輪與壓水室徑向力的最低值出現(xiàn)在最佳工況及其相似工況點。隔舌壓差的變化與徑向力不同。隔舌壓差的最低值出現(xiàn)在0.8倍最佳工況點及其相似工

5、況點附近。徑向力和隔舌壓差均以葉頻及其倍頻為主要頻率。頻譜特性隨泵的轉(zhuǎn)速和流量不同而改變。隔舌壓差的頻譜特性隨工況的改變與徑向力相比略有不同。如在設(shè)計流量下改變轉(zhuǎn)速后，徑向力部分頻次的能量有所升高，而隔舌壓差則有所降低。隔舌壓差與隔舌上游和下游流動參數(shù)的相關(guān)性分析表明，在最佳工況下，隔舌壓差與其下游的流動存在一定的相關(guān)性。而當(dāng)流量為0.8倍最佳工況時，這一相關(guān)性已經(jīng)不再明顯。⑷分析了當(dāng)泵的入流管路存在彎管時，不同轉(zhuǎn)速和流量下泵外特性和壓

6、力脈動特性的變化。著重對比了直管入流和彎管入流泵壓力脈動特性的差異。結(jié)果表明：除了在最佳工況和設(shè)計轉(zhuǎn)速下的0.8Qopt工況，彎管入流與直管入流在外特性和隔舌壓差幅值上沒有明顯的差異。在設(shè)計轉(zhuǎn)速下的0.8Qopt工況，彎管入流的隔舌壓差脈動幅值是直管入流時的三倍；揚程略有下降，效率下降了0.5個百分點。不同入條件下，葉輪和壓水室徑向力的均值以及脈動幅值在不同工況下沒有明顯的差異。當(dāng)泵的運行偏離最佳工況，泵入流中小尺度流動結(jié)構(gòu)對壓水室的影

7、響依然存在。并且改變了不同工況下徑向力和隔舌壓差的脈動特征以及泵內(nèi)流場的特征。隔舌壓差與隔舌上游和下游流動參數(shù)的相關(guān)性分析表明，當(dāng)流量達(dá)到0.4Qopt時，與隔舌區(qū)域壓力變化相關(guān)的流動進(jìn)一步擴展至壓水室下游的流動區(qū)域。⑸葉輪和壓水室徑向力脈動幅值、隔舌壓差脈動幅值以及泵的效率隨壓水室基圓直徑 D3的增加而逐漸下降。當(dāng)葉輪與隔舌間隙2c/D2大于5%，泵效率的下降速度逐漸高于徑向力脈動幅值的下降速度。通過改變隔舌徑向位置來改變?nèi)~輪與隔舌之