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离心泵非定常湍流场计算及流体诱导振动研究

浏览次数:1893发布日期:2012-10-09
  离心泵广泛应用于化工流程、工农业供水等领域。是火箭燃料供给、核潜艇供排水以及核电站冷凝供水等航天和军工领域的关键设备。离心泵流体诱导振动主要是由于空化、旋转失速以及动静干涉等引起的强迫振动。流体诱导振动将引起机械故障、材料疲劳和噪声等。因此,通过离心泵内部流场分析和试验研究寻找振动的诱因,既可有效抑制振动的发生或者减缓振动以延长设备寿命、改善工作环境并避免机械故障的发生,又可利用离心泵的流体诱导振动实现对泵流动工况的非接触测量与监测。本文主要工作及创造性成果如下:1.分析了引起离心泵流体诱导振动的相关流体力,主要是流动脉动、旋转失速、空化脉动等不稳定现象引起的流体力;与吸入涡、排出涡等的干涉引起的流体力;动、静叶片干涉引起的流体力;叶片制作误差产生的不平衡流体力。把这些流体力引起的振动分为自激振动和强迫振动。
  
  介绍了低比转速离心泵加大流量设计法的基本原理。建立了求解低比转速离心泵加大流量设计时计算两个放大系数的约束方程组,数值计算得到了能够在运行点获得zui率点的比转速放大系数的系列曲线图。进而得到了比转速放大系数与流量放大系数的关系,以及建立在这一关系基础上的叶轮出口宽度计算公式。优化得到的曲线与现有的加大流量设计法运行的水力模型是一致的。进一步完善了低比转速离心泵加大流量设计法。然后采用加大流量设计法设计了实验用泵。介绍了实验设备由实验循环回路装置和数据采集仪器两部分组成,试验在多个流动工况和流动条件下进行数掘采集。测得了振动信号中含有叶轮叶片和蜗室之间相互干涉的信息。
  
  利用FLUENT软件对离心泵全流道内进行了三维定常和非定常湍流场数值模拟。三维定常的计算结果较全面地揭示了非设计工况下离心泵全流道内的速度、静压和湍动能分布规律。随着流量由小到大,速度逐渐减小,在小流量工况下叶轮流道内速度梯度较大;进出口之间的静压差减小且在大流量时叶轮出口处出现尾迹流;湍动能的分布越来越均匀。非定常计算结果揭示了离心泵内受叶轮-蜗壳动静干涉引起的非定常流动特性。
  
  主要结论有:(1)监测了设计工况下叶轮流道不同半径处压力脉动的变化。流道各半径处的压力脉动成周期性,且主频接近叶片的通过频率。叶片扫过蜗壳隔舌的一个周期内不同时刻的静压值不同。分析了不同轴截面的压力脉动,其脉动曲线基本相同。在蜗壳流道内设立监测点来分析蜗壳不同截面处的压力脉动,蜗壳内没有出现高频脉动。(2)在非设计工况下,叶轮流道的出口处出现射流一尾迹现象,且随着流量的增加射流-尾迹区域越来越大。每个叶片的尾部在蜗壳内的静总压分布图上留下了明显的尾迹区。分析了非设计工况下蜗壳不同截面处压力脉动分布,随着流量的增大螺旋段的脉动幅度减小。在小流量和大流量工况下出现高频脉动。4.根据NPSHr的定义公式,提出了预测泵净正吸头曲线的方法。应用出口压力波动特性对泵空化进行了检测,验证了在大流量区域与NPSHr的定义预测得到的结果是比较一致的。离心泵发生空化时,空化区域的长度在叶片前缘是周期性振荡的,在振动信号中的表现就是出现与叶片通过频率准周期的振动,通过分析振动信号中是否存在准周期振动信号来判断空化是否已经发生。应用Huguchi方法求解振动信号的分形维数。分形维数在1.2附近没有发生空化;分形维数固定在2附近空化*发展。
  
  离心泵有立式、卧式、单级、多级、单吸、双吸、自吸式等多种形式。其主要的工作原理有:离心是物体惯性的表现。比如雨伞上的水滴,当雨伞缓慢转动时,水滴会跟随雨伞转动,这是因为雨伞与水滴的摩擦力做为给水滴的向心力使然。但是如果雨伞转动加快,这个摩擦力不足以使水滴在做圆周运动,那么水滴将脱离雨伞向外缘运动。就象用一根绳子拉着石块做圆周运动,如果速度太快,绳子将会断开,石块将会飞出。这个就是所谓的离心离心泵就是根据这个原理设计的。高速旋转的叶轮叶片带动水转动,将水甩出,从而达到输送的目的。
  
  
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